בחירת רדיאטור ובסיס יישום

רוב הרכיבים האלקטרוניים, במיוחד המיקרו-מעבדים והמיקרו-בקרים, המשיכו לעלות בצפיפות התרמית עקב הצטמקות מתמשכת בגודלם. 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 של גוף קירור זמינים על מנת 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.

1. מעגל תרמי

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 Ohm', המבוסס על הרעיון של התנגדות תרמית, עם הסמל θ (איור 1).

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, המתבטאת ב-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 הטמפרטורה של המארז של ה-IC' לקירור נמוכה יותר.

2 דוגמה לבחירת רדיאטור

גופי הקירור מסדרת BG המסופקים על ידי Ohmite מיועדים לשימוש במערך רשת כדוריות (BGA) או מערך רשת כדורי פלסטיק (PGBA), יחידת עיבוד מרכזית (CPU), יחידת עיבוד גרפית (GPU) או מעבדים דומים עם מצע אריזה מרובעת (איור 2).

ישנם 10 סוגים של עיצובי גוף קירור בסדרה זו, עם מצעים התואמים לתצורות IC נפוצות, בגודל של 15×15 מילימטרים (מ"מ) עד 45×45 מ"מ, ושטחי סנפיר הנעים בין 2,060 ל-10,893 מ"מ (טבלה 1). גופי קירור אלה התואמים ל-RoHS עשויים מסגסוגת אלומיניום 6063-T5 עם אנודייז שחור.

הערות לסיום

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.