כיצד לשמור על טמפרטורה נמוכה: בחירת רדיאטור ובסיס יישום
רוב הרכיבים האלקטרוניים, במיוחד המיקרו-מעבדים והמיקרו-בקרים, ממשיכים לעלות בצפיפות התרמית עקב הצטמקות מתמשכת של גודלם. בהתחשב בכך שתוחלת החיים, האמינות והביצועים עומדים ביחס הפוך לטמפרטורת הפעולה של המכשיר, התוצאה של התפתחות זו היא שתכנון וניהול תרמיים הפכו לנושא עיצובי מרכזי. לכן, באחריות המעצב' להיות בעל הבנה ברורה של ניהול תרמי יעיל ופתרונות רדיאטור זמינים כדי לשמור על טמפרטורת הפעולה של הציוד בטווח שנקבע על ידי הספק.
עקרון העבודה של הרדיאטור הוא להגדיל את שטח הפנים של המכשיר החשוף לנוזל הקירור (אוויר). אם הרדיאטור מותקן כהלכה, הוא יכול להפחית את טמפרטורת הציוד על ידי שיפור העברת החום על פני גבול האוויר המוצק לאוויר הסביבה הקריר יותר.
מאמר זה מתאר את בחירת גוף הקירור ומספק הנחיות לגבי עיצוב נכון, בחירת רכיבים ושיטות עבודה מומלצות להשגת ביצועים תרמיים מעולים. זה גם מתאר את פתרון הרדיאטור של Ohmite' כדוגמה. רוב הרכיבים האלקטרוניים, במיוחד המיקרו-מעבדים והמיקרו-בקרים, ממשיכים לעלות בצפיפות התרמית עקב הצטמקות מתמשכת של גודלם. בהתחשב בכך שתוחלת החיים, האמינות והביצועים עומדים ביחס הפוך לטמפרטורת הפעולה של המכשיר, התוצאה של התפתחות זו היא שתכנון וניהול תרמיים הפכו לנושא עיצובי מרכזי. לכן, באחריות המעצב' להיות בעל הבנה ברורה של ניהול תרמי יעיל ופתרונות רדיאטור זמינים כדי לשמור על טמפרטורת הפעולה של הציוד בטווח שנקבע על ידי הספק.
עקרון העבודה של הרדיאטור הוא להגדיל את שטח הפנים של המכשיר החשוף לנוזל הקירור (אוויר). אם הרדיאטור מותקן כהלכה, הוא יכול להפחית את טמפרטורת הציוד על ידי שיפור העברת החום על פני גבול האוויר המוצק לאוויר הסביבה הקריר יותר.
מאמר זה מתאר את בחירת גוף הקירור ומספק הנחיות לגבי עיצוב נכון, בחירת רכיבים ושיטות עבודה מומלצות להשגת ביצועים תרמיים מעולים. זה גם מתאר את פתרון הרדיאטור של Ohmite' כדוגמה.
ההספק במעגל משולב (IC) מתפזר בצורה של חום מצומת הטרנזיסטור הפעיל, וטמפרטורת הצומת פרופורציונלית להספק המתפזר. היצרן מציין את טמפרטורת הצומת המקסימלית, אך היא בדרך כלל סביב 150 מעלות צלזיוס. חריגה של טמפרטורת צומת זו תגרום בדרך כלל נזק למכשיר, ולכן על המעצב למצוא דרכים להעביר כמה שיותר חום מה-IC. לשם כך, הם יכולים להסתמך על מודל פשוט למדי למדידת זרימת החום. מודל זה דומה לחישוב החשמלי של חוק אוהם, המבוסס על הרעיון של התנגדות תרמית, עם הסמל θ.
התנגדות תרמית מתייחסת להתנגדות שנתקלת בה כאשר חום זורם ממדיום אחד למשנהו. היחידה שלו היא צלזיוס/וואט (°C/W), המוגדרת כך:
ב:
θ היא ההתנגדות התרמית על פני המחסום התרמי ב℃/W. ∆T הוא הפרש הטמפרטורה על פני המחסום התרמי ב℃.
P הוא ההספק המופץ על ידי הצומת, בוואטים. מהפריסה הפיזית של ה-IC ושל גוף הקירור, ישנם ממשקים תרמיים רבים. הראשון הוא בין הצומת למקרה של ה-IC ומיוצג על ידי ההתנגדות התרמית θjc.
גוף הקירור מחובר ל-IC באמצעות חומר ממשק תרמי (TIM) כגון משחה תרמית או סרט תרמי כדי לשפר את המוליכות התרמית בין שני המכשירים. לשכבה מוליכה תרמית זו יש בדרך כלל התנגדות תרמית נמוכה מאוד, שהיא חלק מההתנגדות התרמית מהקליפה לגוף הקירור ומיוצגת על ידי θcs. הרמה האחרונה היא הממשק בין הרדיאטור לסביבה הסובבת, מסומן ב-θsa.
התנגדות תרמית היא כמו נגדים במעגלים אלקטרוניים, המחוברים בסדרה. הסכום של כל ההתנגדויות התרמיות הוא ההתנגדות התרמית הכוללת מהצומת לאוויר הסביבה.
בדרך כלל, ספקי IC יציינו באופן מרומז או מפורש את ההתנגדות התרמית מצומת למקרה. מפרט זה עשוי להיות מסופק בצורה של טמפרטורת המארז המקסימלית, תוך ביטול אחד ממרכיבי ההתנגדות התרמית. למתכנן ה-IC של היישום אין שליטה על מאפייני ההתנגדות התרמית של הצומת למארז. עם זאת, המעצב יכול לבחור את תכונות TIM וגוף קירור כדי לקרר את ה-IC במלואו ולשמור על טמפרטורת הצומת מתחת לטמפרטורה המקסימלית שצוינה. באופן כללי, ככל שההתנגדות התרמית של ה-TIM ושל גוף הקירור קטנה יותר, כך טמפרטורת המארז של ה-IC לקירור נמוכה יותר.
מנקודת מבט של פיזור חום, בחירת רדיאטור היא פשוטה יחסית. כפי שהוזכר לעיל, גוף הקירור מסדרת Ohmite BG מספק פתרון אפשרי לבעיית הקירור של ICs בחבילות BGA.
