Sådan forbliver du kølig: Det grundlæggende i valg og anvendelse af kølelegeme

Den fortsatte reduktion i størrelse på de fleste elektroniske komponenter, især mikroprocessorer og mikrokontroller, har resulteret i en stigning i varmetætheden. En konsekvens af denne udvikling er, at termisk design og styring er blevet et stort designproblem, da forventet levealder, pålidelighed og ydelse er omvendt relateret til en enheds driftstemperatur. Det påhviler derfor designere at have en klar forståelse af effektiv termisk styring og tilgængelige kølelegemeløsninger for at holde enhedens driftstemperatur inden for de grænser, der er fastsat af leverandøren.

Kølelegemer fungerer ved at øge overfladen på enheden, der udsættes for kølemidlet (luft). Ved korrekt montering reducerer kølelegemer temperaturen på en enhed ved at forbedre varmeoverførslen til køligere omgivende luft over grænsen mellem fast og luft.

Denne artikel giver et overblik over valg af kølelegeme og giver vejledning om korrekt design, valg af komponenter og bedste praksis for at opnå fremragende køleeffekt. Kølelegemeløsninger fra Ohmite vil blive brugt som praktiske eksempler.

Det termiske kredsløb

Effekt spredes fra de aktive forbindelser transistorer i et integreret kredsløb (IC) i form af varme, hvor temperaturen på forbindelsen i transistoren er proportional med den spredte effekt. Producenter angiver den maksimale forbindelsestemperatur, selvom den generelt er omkring 150 °C. Overskridelse af denne krydsetemperatur resulterer generelt i beskadigelse af enheden, så designere skal se efter måder at trække så meget varme som muligt væk fra IC'en. For at gøre det kan de stole på en ret simpel model til at måle varmestrømmen, svarende til Ohms lov til elektriske beregninger, baseret på begrebet termisk modstand, symboliseret ved θ (figur 1).

Figur 1: Den termiske kredsløbsmodel for en IC med en køleplade baseret på begrebet termisk modstand symboliseret med θ. (Billedkilde: DigiKey)

Termisk modstand er den modstand, som varmen møder, når den flyder fra et medium til et andet. Det måles i enheder Celsius grader pr. watt (°C/watt) og defineres som:

 Ligning 1

Hvor:

θ er den termiske modstandsdygtighed over en termisk spærrelag i °C/watt.

∆T er temperaturforskellen over den termiske spærrelag i °C.

P er den strøm, der spredes i forbindelsen i watt.

Ser man på det fysiske arrangement af IC og kølelegeme, er der en række termiske grænseflader. Den første er mellem forbindelsen og tilfældet med IC, som er modelleret af den termiske modstand θ_jc.

Kølelegemet er fastgjort til IC'en ved hjælp af et termisk interface-materiale (TIM) som er enten termisk pasta eller termisk tape for at forbedre den termiske ledningsevne mellem de to enheder. Dette lag, som generelt har lav modstand, er modelleret som en del af termiske modstand mellem hus og kølelegeme, θ_cs. Den sidste fase er kølelegemets grænseflade til det omgivende miljø, θ_sa.

Termiske modstande tilføjes i serie ligesom modstande i et elektronisk kredsløb. Summen af alle de termiske modstande giver den samlede termiske modstand fra forbindelsen til den omgivende luft.

Modstand mellem spærrelag og huset specificeres generelt, enten implicit eller eksplicit, af IC-leverandøren. Specifikationen kan have form af en maksimal huss temperatur, hvilket eliminerer et af de termiske modstandselementer. Designeren, der anvender IC'en, har ingen kontrol over kryds-til-sag-termisk modstandskarakteristik. Designeren kan dog vælge de TIM- og kølelegemekarakteristika, der er nødvendige for at afkøle IC tilstrækkeligt til at holde temperaturen i forbindelsen under det specificerede maksimum. Generelt er det, at jo lavere termisk modstand TIM og kølelegeme er, desto lavere afkøles temperaturen på IC'en.

Eksempel på valg af køleplade

Ohmite tilbyder BG-serien af kølelegemer designet til at arbejde med kugle-gitter-array (BGA) eller plast-kugle-gitter-array (PGBA) centrale processorenheder (CPU'er), grafiske behandlingsenheder (GPU'er) eller lignende processorer med firkantede fodspor (figur 2).

Figur 2: BG-serien af kølelegemer er velegnet til BGA-pakkede IC'er inklusive CPU'er, GPU'er og andre med tilsvarende kvadratfodspor. (Billedkilde: Ohmite)

Der er ti kølelegemedesigner i linjen med fodaftryk, der matcher almindelige IC-konfigurationer fra 15 x 15 millimeter (mm) til 45 x 45 mm, og arealer fra 2,060 til 10,893 mm² (Tabel 1). Disse RoHS-kompatible kølelegemer er lavet af sort anodiseret 6063-T5 aluminiumslegering.

Tabel 1: BG-serieområdet i finneareal fra 2.060 til 20.893 mm² . (Tabelkilde: DigiKey)

De termiske modstandsværdier i tabellen er til naturlig konvektionskøling. Tvungen konvektion ved hjælp af en blæser sænker den termiske modstand, der er proportional med køleluftens hastighed. Tvungen luftkøling kan reducere den termiske modstand med en faktor på to eller tre til en (figur 3).

Figur 3: Den termiske ydeevne af Ohmite BG Series køleplader til tvungen luftkøling. (Billedkilde: Ohmite)

Materialer til termisk grænseflade

I tilfælde af Ohmite BG-serien er det termiske grænseflademateriale, der bruges mellem IC-kabinettet og kølelegemet, et dobbeltsidet termotape, der leveres med kølelegemet. Brug af dobbeltsidet tape forenkler installationen, da båndet ikke kræver noget mekanisk design eller fabrikation.

TIM'er specificeres normalt af deres varmeledningsevne i enheder af watt pr. meter-Celsius (watt/(m °C)) eller watt pr. meter-Kelvin (watt/(m ° K)). TIM-lagets termiske modstand afhænger af tapens tykkelse og det område, det påføres over. Den termiske modstand kan beregnes ved hjælp af ligningen:

 Ligning 2

Hvor:

Tykkelsen udtrykkes i meter (m).

Området udtrykkes i kvadratmeter (m² ).

Varmeledningsevnen udtrykkes i enten watt/(m °C) eller watt/(m °K).

Celsius og Kelvin kan byttes, fordi de begge bruger den samme enhedsforøgelse af temperaturmåling, og det er temperaturforskellen, der beregnes (f.eks. svarer en temperaturændring på 10 °C til en temperaturændring på 10 °K).

Ser på Ohmite BGAH150-075E 15 x 15 x 7,5 mm kølelegeme (fastgjort til en 15 x 15 mm enhed), er TIM-området 225 mm² (225 E^-6 m²). Tykkelsen på det medfølgende termotape er 0,009 tommer eller 0,23 mm (0,00023 m). Den specificerede varmeledningsevne er 1,4 watt/(m °K). Brug af disse værdier i ligning 2 giver:

Ligning 3

Den termiske modstandsdygtighed for TIM vil generelt være meget mindre end den for kølelegemet, og den skaleres lavere for kølelegemer med et større område af fodaftryket.

Et eksempel på bestemmelse af den minimale termiske modstand, der kræves i en køleplade for at holde IC inden for dets temperaturgrænse, begynder med IC. Overvej en 15 x 15 mm IC med en maksimal specificeret tilfældestemperatur på 85 °C, der ved normal drift spreder 2 watt, der opererer i et kabinet med en omgivelsestemperatur på 45 °C.

Det kan være vanskeligt at bestemme strømafbrydelsen for en processor på grund af den brede vifte af driftstilstande. Nogle producenter forsøger at forenkle dette ved at specificere den termiske designkraft eller TDP. TDP er den strøm, der spredes, når den kører en "rigtig applikation." Der er en vis diskussion om egnetheden af denne vurdering, da den er afhængig af applikationen. Det er også muligt at bestemme den maksimale strømforsyning ved at henvise til strømforsyningens nuværende krav til hver af CPU'ens forsyningsspændinger. Denne værdi kan være højere end den spredning, der er beskrevet af TDP. Designere bør konsultere leverandørens tekniske data for at bestemme det bedste skøn over en ICs nominelle strømforsyning.

Når vi vender tilbage til eksemplet, kan den mindste termiske modstand (θ) for den krævede kølelegeme og TIM bestemmes ved hjælp af ligning 4:

 Ligning 4

Ohmite BGAH150-075E har en termisk modstand på 18 °C/watt; med den ekstra modstand af TIM, 0,73 °C/watt, er den samlede 18,73 °C/watt. Dette er lavere end den beregnede minimale termiske modstand, og det fungerer. Hvis denne køleplade vælges, baseret på en omvendt beregning ved hjælp af ligning 1 med den omgivende temperatur holdt konstant, vil den estimerede maksimale sags temperatur være 82,5 °C.

Som alternativ køleplade vælges 15 x 15 x 12,5 mm OhmiteBGAH150-125E med et større overfladeareal på grund af en større finnhøjde, reducerer den samlede termiske modstand af kølelegemet og TIM til 11 °C/watt. Dette ville sænke temperaturen i huset til ca. 67 °C til omtrent de samme omkostninger og give en større temperaturmargen.

Andre overvejelser kan være den ledige plads til kølelegemet eller det mulige behov for en køleventilator.

Konklusion

Valg af kølelegeme er relativt ligetil fra et termisk synspunkt. Som vist tilbyder Ohmite BG-serie kølelegemer en levedygtig løsning på køleproblemer på BGA-pakkede IC'er.