איך בוחרים גוף קירור?

עם התפתחות המדע והטכנולוגיה, פיזור ההספק של רכיבים מיקרואלקטרוניים הולך וגדל וגודל האריזה הולך וקטן. לכן, ניהול תרמי הופך חשוב יותר ויותר בעיצוב של מוצרים אלקטרוניים.

האמינות וחיי התכנון של ציוד אלקטרוני עומדים ביחס הפוך לטמפרטורת הפעולה. מנקודת המבט של האמינות וטמפרטורת הפעולה של התקן מוליך למחצה סיליקון טיפוסי, הורדת טמפרטורת ההפעלה תגדיל את האמינות ואת חיי התכנון של המכשיר באופן אקספוננציאלי. לכן, שליטה יעילה בטמפרטורת העבודה של הציוד בתוך הגבול היא הערובה לפעולתו היציבה לטווח ארוך.

גוף הקירור הוא מכשיר המשפר את העברת החום מהקצה החם לקצה הקר. בדרך כלל, הקצה החם הוא החלק העליון של המכשיר שמייצר חום, והקצה הקר הוא האוויר בסביבה כמדיום לפיזור חום. הדיון הבא מניח שהאוויר הוא אמצעי הקירור. ברוב המקרים, העברת החום מהמשטח המוצק לאוויר היא החוליה הפחות יעילה בכל מערכת העברת החום, ומשטח המגע של גז מוצק הוא גם המקום בעל ההתנגדות התרמית הגדולה ביותר. גוף הקירור מפחית את ההתנגדות התרמית של משטח המגע עם אדים מוצקים על ידי הגדלת שטח המגע עם תווך הקירור, מה שמאפשר למכשיר להעביר יותר חום או להוריד את טמפרטורת הפעולה של המכשיר באותה עליית טמפרטורה. המטרה העיקרית של השימוש בגוף הקירור היא להפוך את טמפרטורת הפעולה של המכשיר לנמוכה מהמחוון שנקבע על ידי היצרן.

מחזור תרמי (התרגום המילולי הוא כותרת זו, אך למעשה זוהי שיטת רשת ההתנגדות התרמית שאנו אומרים לעתים קרובות, או שיטת הרשת התרמית/רשת החשמל, להלן שיטת רשת ההתנגדות התרמית) לפני שנדון כיצד לבחור גוף קירור, על מנת שקוראים שאינם בקיאים בהולכת חום יבינו במהירות את נושא הדיון, תחילה הסבירו את הטרמינולוגיה הכרוכה בדיון הבא ואת השיטה להקמת רשת התנגדות תרמית. ההגדרות של סמלים ומונחים הן כדלקמן:

ש: ההספק הכולל או קצב ייצור החום (יש לתרגם כהספק מתפזר), היחידה W, מייצגת את קצב החום שנוצר על ידי רכיבים אלקטרוניים במהלך הפעולה. על מנת לבחור גוף קירור מתאים, משתמשים בדרך כלל בערך המקסימלי של ההספק המופץ.

Tj: טמפרטורת הצומת (בדרך כלל זה אמור להתייחס לטמפרטורת הצומת, והתיאור בטקסט המקורי הוא טמפרטורת הצומת המקסימלית כדי שהמכשיר יעבוד ביציבות), ב-°C.

טמפרטורת הצומת המקסימלית המותרת נעה בין 115 מעלות צלזיוס עבור רכיבים מיקרואלקטרוניים נפוצים ל-180 מעלות צלזיוס עבור התקני בקרת טמפרטורה מיוחדים. בצבא ובאירועים מיוחדים, רכיבים עם טמפרטורת הפעלה של 65°C עד 80°C נמצאים בשימוש נדיר. (הטקסט המקורי אינו מציין את טמפרטורת הפעולה, כדי לא לגרום לבלבול, התרגום מתוקן במיוחד).

Tc: טמפרטורת המארז של המכשיר, ב-°C.

מכיוון שטמפרטורת המארז קשורה לנקודת הבדיקה שנבחרה על מעטפת האריזה (הטמפרטורה של משטח אריזת הרכיב האלקטרוני אינה אחידה), בדרך כלל הכוונה היא לנקודת הטמפרטורה הגבוהה ביותר על מעטפת האריזה.

Ts: הטמפרטורה של גוף הקירור, ב-°C.

הכוונה היא לנקודת הטמפרטורה הגבוהה ביותר שבה גוף הקירור קרוב למכשיר (פני השטח של מעטפת האריזה).

Ta: טמפרטורת הסביבה, ב-°C.

דרך היחס בין הפרש הטמפרטורה (הטקסט המקורי הוא טמפרטורה) לבין מהירות העברת החום (הטקסט המקורי הוא מהירות פיזור החום), ניתן לבטא בצורה כמותית את היעילות של העברת חום בין שני מצבים של מבנה תרמי. התנגדות תרמית R. ההגדרה של התנגדות R היא כדלקמן:

R=ΔT/Q כאשר ΔT הוא הפרש הטמפרטורה בין שני המצבים. יחידת ההתנגדות התרמית היא °C/W, המייצגת את הפרש הטמפרטורה כאשר מועברת יחידת קצב חום. ההגדרה של התנגדות תרמית דומה במקצת להתנגדות Re המוגדרת על ידי Ohm's law Re=ΔV/I. כאשר ΔV הוא הפרש הפוטנציאלים ו-I הוא הזרם.