Optimieren des Wärmemanagements elektronischer Geräte

Einführung:

Alle Geräte funktionieren, indem sie Wärme als Nebenprodukt erzeugen. Damit diese Geräte nicht überhitzen, ist ein Thermomanagement erforderlich. Der Wirkungsgrad eines Geräts ist umgekehrt proportional zur Temperatur. In der Folge erzeugen Hochleistungskomponenten Wärme, die die Lebensdauer des Geräts verringern und die Effizienz verringern kann. Daher müssen wir die Temperatur unter Kontrolle halten, indem wir die erzeugte Wärme von diesen Geräten entfernen.

Im Laufe der Zeit sind unsere Geräte kleiner geworden, aber mit mehr Funktionalität. Dies führte zu einer schnelleren Verarbeitung und in der Folge zu einer stärkeren Wärmeentwicklung bei erhöhtem Stromverbrauch. In ähnlicher Weise werden die Geräte auch miniaturisiert, um Wärme zu verteilen, und können zu einer Herausforderung für Ingenieure werden. Im Allgemeinen muss die Wärmeabgabe gemäß der Leistungsgleichung proportional zur Verlustleistung sein. Zu den drei Hauptproblemen, mit denen Ingenieure bei der Verwaltung der Verlustleistung konfrontiert sind, gehören die dichte Leiterplatte, die erhöhte Dichte von IC-Chips und die Größe und Mobilität von Geräten.

Einige Komponenten erzeugen geringe Wärmemengen, während andere Geräte relativ höhere Wärmemengen erzeugen. Daher sind Maßnahmen zu ergreifen, um ihre Lebensdauer und Zuverlässigkeit zu verlängern. Normalerweise tun isolierte elektrische Komponenten, die Wärme erzeugen, dies, bis die innerhalb des Geräts erzeugte Wärme der an die Umgebung abgegebenen Wärme entspricht und das Gerät ein Gleichgewicht erreicht. Wärme wird normalerweise aufgrund des Widerstands gegen den Elektronenfluss im Material erzeugt. Je niedriger der Widerstand ist, desto größer ist die Leitfähigkeit und es wird weniger Wärme erzeugt. Dies wird durch das Joulesche Gesetz H=I2Rt bewiesen.

Wärmemanagement in Geräten:

Wärmemanagement ist ein wichtiger Bestandteil des Elektronikdesigns. Um die Effizienz und Genauigkeit von Komponenten und System-Hotspots zu gewährleisten, muss überschüssige Wärme von ihnen abtransportiert werden. Ingenieure können intelligentes thermisches Design verwenden, um wärmebedingte Fehler zu reduzieren. Es gibt drei strenge treibende Kräfte, die Anforderungen an Materialien für das Wärmemanagement stellen.

Um die Geschwindigkeit zu verbessern, komprimierten die Designer zunächst den Kern der Mikroprozessoren auf kleinere Größen. Dies gibt uns höhere Wärmeerzeugung pro Flächeneinheit. Als Ergebnis wird der durch Leitung innerhalb des Mikroprozessors und des Wärmeverteilers verursachte Temperaturabfall mit dem maximal zulässigen Temperaturabfall vergleichbar. Zweitens gibt es eine Erhöhung des Temperaturanstiegs über Verbindungen zwischen Transistoren. Dies liegt an der Zunahme an Metallschichten und ansteigenden Stromdichten zwischen Verbindungen. Drittens gibt es einen Anstieg des Temperaturanstiegs in gegenwärtigen und geplanten Transistortechnologien. Eine Verringerung der Kanalabmessungen führt zu einer erhöhten Leistungsdichte und einem Elektron-Phonon-Nichtgleichgewicht innerhalb von Vorrichtungen. Diese stellen die Forschung in der Material- und Festkörperphysik vor Herausforderungen.

Kühlung der Elektronik:

Nach dem Newtonschen Abkühlungsgesetz ist die Wärmeverlustrate proportional zur Temperaturdifferenz zwischen dem Körper und seiner Umgebung. Mit steigender Körpertemperatur steigt auch der Wärmeverlust. Wenn die Wärmeverlustrate im Gleichgewicht mit der erzeugten Wärmerate ist, erreicht die Vorrichtung ihre Gleichgewichtstemperatur. Diese Temperatur kann die Lebensdauer von Bauteilen reduzieren und es müssen bestimmte Maßnahmen zum Thermomanagement getroffen werden.

Eine Möglichkeit, die Temperatur in Kreisläufen oder Geräten zu kontrollieren, besteht darin, den Luftstrom durch Belüftung zu erhöhen. Dies führt zu niedrigeren Betriebstemperaturen. Denken Sie auch daran, dass eine verringerte atmosphärische Dichte in größeren Höhen zu einer weniger effektiven Wärmeübertragung an die Umgebung und höheren Betriebstemperaturen führt. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Geräte wie Kühlkörper, thermoelektrische Kühler, Luftsysteme und Lüfter usw. zu kühlen.  

1:Kühlkörper

Wärmeverluste treten an der Oberfläche von Bauteilen auf und nehmen mit zunehmender Oberfläche zu. Eine Möglichkeit, die Betriebstemperatur zu verringern, besteht darin, den Oberflächenbereich zu vergrößern. Dies wird durch Anbringen eines Metallkühlkörpers am Gerät erreicht. Der Kühlkörper ist normalerweise ein guter Wärmeleiter wie Kupfer, Aluminium usw. Kühlkörper sind effektiver, wenn die gesamte Einheit gut belüftet ist. Normalerweise, wenn Kühlkörper und Komponenten in Kontakt kommen, gibt es einen kleinen Luftspalt zwischen den beiden über der Oberfläche. Luft ist ein schlechter Wärmeleiter und begrenzt daher den Wärmeverlust eines Geräts. Um diesen Effekt zu überwinden, werden Wärmeleitpasten eingesetzt.

2:Heatspreader

Heatspreader werden auch als Kühlgeräte verwendet. Sie sind wärmeleitende Metallplatten oder -folien, die verwendet werden, um Wärme über eine größere Fläche zu verteilen. Er dient als zwischengeschaltete thermische Schnittstelle zwischen Wärmequelle und sekundärem Wärmetauscher (Kühlkörper etc.). Der Heatspreader kann als Trägerplatte auf Leiterplatten mit wärmeerzeugenden Komponenten aufgebracht werden. Thermische Durchkontaktierungen werden als thermische Kanäle zwischen dem Wärmeverteiler und Komponentenpaketen verwendet, um den Wärmefluss zu verbessern.

3:Wärmerohre

Heatpipes sind versiegelte Hohlrohre, die eine Flüssigkeit oder ein Kühlmittel enthalten. Ein Ende ist an der Wärmequelle und das andere Ende an einem sekundären Wärmetauscher (z. B. einem Kühlkörper) befestigt. Die erzeugte Wärme bringt die Flüssigkeit an einem Ende zum Kochen, die zum kühleren Ende wandert, wo die Dämpfe kondensieren und zum erhitzten Ende zurückkehren. Sie bestehen normalerweise aus leitfähigem Metall und eignen sich für Leiterplattendesigns mit begrenztem Platz.

4:Thermische Schnittstellenmaterialien

Dies sind wärmeleitende, vorgefertigte Materialien, die in einer Vielzahl von Formen (Pads, Klebstoffe, Gele usw.) erhältlich sind. Sie dienen zum Füllen von Luftspalten zwischen Kontaktflächen. Dadurch wird die maximale Oberfläche zur Wärmeübertragung genutzt und die Betriebstemperatur gesenkt. Wärmeübertragungsverbindungen können viele Typen sein. Electrolubes stellt Wärmeleitpasten her, die aus mineralischen Füllstoffen in einer Trägerflüssigkeit bestehen (die kein Silikon oder Silikonbasis sein kann). Pasten auf Siliziumbasis haben höhere Betriebstemperaturen als Nicht-Silikonpasten. Wichtig ist, dass bei der Verwendung von Wärmeleitmaterial die Schnittstelle zwischen Gerät und Kühlkörper vollständig ausgefüllt ist.

5:Umluft

Zwangsluft ist eine weitere gängige Kühlmethode. Dies kann durch die Verwendung eines Lüfters oder Gebläses erfolgen, um den Luftstrom über eine wärmeerzeugende Komponente zu erhöhen. Dies erhöht den Strom erwärmter Luft weg von der Wärmesenke und kann die Wärmeableitung verbessern. Es können Ventilatoren verschiedener Größen verwendet und ihre Platzierung optimiert werden, um den Strömungsweg zu verbessern.

6:Festkörperwärmepumpen

Auch bekannt als TECs (thermoelektrische Kühler), sind dies dünne und kompakte Halbleiterbauelemente, die zwischen der Wärmequelle und dem Kühlkörper platziert werden, um die Wärmeableitung zu verbessern. An den TEC wird eine Spannung angelegt, die einen Temperaturunterschied zwischen den beiden Seiten des Geräts erzeugt und die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung ermöglicht. Obwohl diese nicht sehr effizient sind, bewegen sie große Wärmemengen und haben eine längere Lebensdauer. Wenn der Strom umgekehrt wird, kehrt sich auch der Wärmeübertragungsfluss um, was das Gerät zu einer Heizung macht und sich als ideal für Anwendungen in der Temperaturregelung erweisen kann.