Dominando o Gerenciamento Térmico para Eletrônicos de Alto Desempenho

Introdução:

Todos os dispositivos funcionam gerando calor como subproduto. Para manter esses dispositivos de superaquecer, gerenciamento térmico é necessário. A eficiência de um dispositivo é inversamente proporcional à temperatura. Subsequentemente, componentes de alto desempenho geram calor que pode reduzir a vida útil do dispositivo e reduzir eficiência. Portanto, precisamos manter a temperatura sob controle removendo calor gerado desses dispositivos.

Com o tempo, nossos dispositivos ficaram menores, mas com funcionalidade aumentada. Isso levou a processamento mais rápido e, como resultado, mais geração de calor com consumo de energia aumentado. Similarmente, os implementos também são miniaturizados para dispersar calor e podem se tornar um desafio para engenheiros. Geralmente, a dissipação de calor deve ser proporcional à dissipação de potência, de acordo com a equação de potência. Os três principais problemas que engenheiros enfrentam no gerenciamento de dissipação de potência incluem PCBs densos, densidade aumentada de chips IC e tamanhos e mobilidade de dispositivos.

Alguns componentes produzem baixas quantidades de calor enquanto outros dispositivos produzem quantidades relativamente maiores de calor. Portanto, medidas devem ser tomadas para prolongar sua vida útil e confiabilidade. Geralmente, componentes elétricos isolados produzindo calor farão isso até que o calor produzido dentro do dispositivo se torne igual ao calor perdido para o ambiente e o dispositivo atinja equilíbrio. Calor é geralmente gerado devido à resistência ao fluxo de elétrons no material. Menor a resistência, maior a condutividade e menor calor gerado. Isso é provado pela lei de Joule H=I²Rt.

Gerenciamento Térmico em Dispositivos:

Gerenciamento de calor é uma parte major do projeto eletrônico. Para garantir eficiência e precisão de componentes e pontos quentes do sistema, calor excessivo deve ser transportado para longe deles. Engenheiros podem usar design térmico inteligente para reduzir erros relacionados a calor. Existem três forças motrizes rigorosas fazendo demandas em materiais para gerenciamento térmico.

Primeiro, para melhorar velocidade, designers comprimiram o núcleo dos microprocessadores para tamanhos menores. Isso nos dá geração de calor mais alta por unidade de área. Como resultado, a queda de temperatura causada por condução dentro do microprocessador e spreader de calor se torna comparável à queda máxima de temperatura permitida. Segundo, há um aumento na elevação de temperatura através da interconexão entre transistores. Isso é devido ao aumento de camadas de metal e densidades de corrente crescentes entre interconexões. Terceiro, há um aumento na elevação de temperatura dentro de tecnologias de transistores contemporâneas e planejadas. Uma diminuição nas dimensões do canal leva a densidade de potência aumentada e não-equilíbrio elétron-fônon dentro dos dispositivos. Estes representam desafios para pesquisa em materiais e física do estado sólido.

Resfriamento de Eletrônicos:

Segundo a lei de resfriamento de Newton, a taxa de perda de calor é proporcional à diferença de temperatura entre o corpo e seu ambiente. À medida que a temperatura do corpo sobe, a perda de calor também sobe. Quando a taxa de perda de calor está em equilíbrio com a taxa de calor produzido, o dispositivo atinge sua temperatura de equilíbrio. Esta temperatura pode reduzir a vida útil de componentes e certas medidas devem ser tomadas para gerenciamento térmico.

Uma forma de controlar a temperatura em circuitos ou dispositivos é aumentar o fluxo de ar através de ventilação. Isso resultará em temperaturas de operação mais baixas. Também lembre-se que densidade atmosférica reduzida em altitudes maiores resulta em transferência de calor menos eficaz para o ambiente e temperaturas de operação mais altas. Existem várias maneiras de resfriar dispositivos como heat-sinks, coolers termoelétricos, sistemas de ar e ventiladores, etc.

1: Heat-sinks (Dissipadores de Calor)

A perda de calor ocorre na superfície dos componentes e aumenta com o aumento da área de superfície. Uma forma de reduzir temperatura de operação é aumentando a área de superfície. Isso é conseguido anexando um dissipador de calor de metal ao dispositivo. O dissipador de calor é geralmente um bom condutor de calor como cobre, alumínio, etc. Dissipadores de calor são mais eficazes se a unidade toda é bem ventilada. Geralmente, com dissipadores de calor e componentes em contato, há uma pequena lacuna de ar entre os dois sobre a superfície. Ar é um mau condutor de calor e isso limita a perda de calor de um dispositivo. Para superar este efeito, compostos de transferência de calor são usados.

2: Heat spreaders (Espalhadores de Calor)

Espalhadores de calor também são usados como dispositivos de resfriamento. São placas ou folhas de metal termicamente condutoras usadas para distribuir calor sobre uma área mais ampla. É usado como interface térmica intermediária entre a fonte de calor e trocador de calor secundário (dissipador, etc.) O espalhador de calor pode ser aplicado como placa de apoio a PCBs com componentes geradores de calor. Vias térmicas são usadas como canais térmicos entre o espalhador de calor e pacotes de componentes para melhorar fluxo de calor.

3: Heat pipes (Tubos de Calor)

Tubos de calor são tubos ocos selados contendo líquido ou refrigerante. Uma extremidade é anexada à fonte de calor e a outra a um trocador de calor secundário (como dissipador). Calor gerado ferve o líquido em uma extremidade que viaja para a extremidade mais fria onde os vapores condensam e retornam à extremidade aquecida. Geralmente são feitos de metal condutor e são adequados para designs de placa com espaço limitado.

4: Materiais de interface térmica

Estes são materiais termicamente condutores, pré-fabricados, disponíveis em variedade de formas (pads, adesivos, géis, etc.) São projetados para preencher lacunas de ar entre superfícies de contato. Como resultado, a área de superfície máxima é usada para transferência de calor e a temperatura de operação é reduzida. Compostos de transferência de calor podem ser de muitos tipos. Electrolubes produzem pastas termicamente condutoras que consistem de enchimentos minerais em um fluido veículo (que pode ser à base de não-silicone ou silicone). Pastas à base de silicone têm temperaturas de operação mais altas que pastas não-silicone. É importante que ao usar material termicamente condutor, a interface entre o dispositivo e dissipador de calor seja completamente preenchida.

5: Ar forçado

Ar forçado é outro método comum usado para resfriamento. Isso pode ser feito pelo uso de ventilador ou soprador para aumentar o fluxo de ar sobre um componente gerador de calor. Isso aumenta o fluxo de ar aquecido para longe do dissipador de calor e pode melhorar a dissipação de calor. Ventiladores de vários tamanhos podem ser usados e seu posicionamento pode ser otimizado para melhorar o caminho de fluxo.

6: Bombas de calor de estado sólido

Também conhecidas como TECs (coolers termoelétricos), são dispositivos semicondutores finos e compactos colocados entre a fonte de calor e dissipador para melhorar dissipação de calor. Uma voltagem é aplicada ao TEC que cria uma diferença de temperatura entre os dois lados do dispositivo e permite transferência de calor por condução. Embora não sejam muito eficientes, movem grandes quantidades de calor e têm vida útil mais longa. Além disso, quando a corrente é invertida, o fluxo de transferência de calor inverte, transformando o dispositivo em aquecedor e pode ser ideal para aplicações em controle de temperatura.