Soluții de gestionare termică a plăcilor integrate

Procesarea la periferie sporită, îmbunătățirile performanței și miniaturizarea platformelor integrate au dus la o creștere a consumului de energie și a generării de căldură, creând puncte termice fierbinți. Stresul termic poate degrada în mod semnificativ performanța sistemelor integrate, putând chiar provoca defectarea întregului sistem. Expunerea pe termen lung la căldură excesivă reduce, de asemenea, durata de viață a componentelor electronice.

Înțelegerea tehnicilor de gestionare termică este esențială pentru a menține un dispozitiv în stare optimă de funcționare. Progresele din industria electronică au condus la nevoia apariției unor tehnologii inovatoare de gestionare termică pentru a spori fiabilitatea și performanța sistemului. Potrivit Market Research Future, se preconizează că piața globală de gestionare termică va ajunge la 20,3 miliarde USD până în 2030, cu o creștere de 8 % CAGR între 2022 și 2030.

Accesoriile termice sunt esențiale pentru diverse produse electronice, nu doar pentru FPGA-uri, datorită căldurii generate în timpul funcționării. Gestionarea termică adecvată este esențială pentru menținerea performanței, fiabilității și longevității acestor dispozitive. Iată de ce accesoriile termice sunt importante pentru o gamă de produse:

1. Microprocesoare și CPU-uri:

• Generarea de căldură: CPU-urile, în special în computerele și serverele de înaltă performanță, generează căldură semnificativă ca urmare a sarcinilor de calcul intensive.
• Accesoriile termice: radiatoarele, pasta termică și ventilatoarele de răcire sunt esențiale pentru disiparea căldurii, prevenirea reducerii performanțelor din cauza temperaturii și asigurarea unei performanțe stabile.

2. Unități de procesare grafică (GPU-uri):

• Consumul ridicat de energie: GPU-urile, în special în gaming, AI și procesarea datelor, consumă multă energie și produc o cantitate substanțială de căldură.
• Gestionarea termică: soluțiile de răcire, cum ar fi radiatoarele și ventilatoarele mari și, uneori, răcirea cu lichid, sunt necesare pentru a menține temperaturi optime, a preveni supraîncălzirea și a susține performanțele ridicate.

3. Unități de alimentare (PSU-uri):

• Disiparea căldurii: sursele de alimentare convertesc curentul alternativ în curent continuu, ceea ce implică pierderi semnificative de energie sub formă de căldură.
• Soluțiile de răcire: răcirea activă cu ventilatoare și răcirea pasivă cu radiatoare sunt esențiale pentru menținerea eficienței și longevității surselor de alimentare.

4. Module de memorie (RAM, DRAM):

• Stabilitatea operațională: modulele de memorie de mare viteză pot genera căldură, care, dacă nu este controlată, poate duce la coruperea datelor sau la instabilitatea sistemului.
• Accesoriile termice: disipatoarele termice și ventilatoarele de răcire sunt utilizate pentru a disipa căldura și a menține integritatea și viteza datelor.

5. Echipamente de rețea (routere, switch-uri):

• Funcționarea continuă: echipamentele de rețea funcționează adesea 24/7, ceea ce duce la generarea continuă de căldură.
• Cerințele de răcire: radiatoarele, ventilatoarele și, uneori, răcirea mediului (cum ar fi aerul condiționat din camerele serverelor) sunt necesare pentru a asigura performanțe constante și a preveni defecțiunile.

6. Sisteme integrate:

• Provocările proiectării compacte: sistemele încorporate funcționează adesea în medii limitate, în care disiparea căldurii este dificilă.
• Soluțiile termice: radiatoarele personalizate, plăcuțele termice și carcasele specializate cu răcire sunt utilizate pentru a gestiona căldura în aceste sisteme compacte, asigurând fiabilitatea în aplicațiile industriale și auto.

7. Dispozitive mobile (telefoane inteligente, tablete):

• Constrângerile termice: dispozitivele mobile sunt compacte, cu un spațiu limitat pentru răcire, dar utilizează procesoare și baterii de înaltă performanță care generează căldură.
• Răcirea inovatoare: tehnici precum prevenirea reducerii performanțelor din cauza temperaturii, disipatoarele termice din grafit și materialele avansate sunt utilizate pentru a gestiona căldura fără a crește dimensiunea dispozitivului.

8. Baterii și stocare a energiei:

• Siguranța și longevitatea: bateriile, în special în vehiculele electrice și în sistemele de stocare de mare capacitate, generează căldură în timpul încărcării și descărcării.
• Gestionarea termică: sistemele de răcire, inclusiv răcirea cu lichid, sistemele de gestionare termică și materialele rezistente la căldură, sunt vitale pentru a preveni supraîncălzirea, care poate duce la reducerea duratei de viață a bateriei sau chiar la situații periculoase.

9. Echipamente de telecomunicații:

• Sarcina termică continuă: stațiile de bază, antenele și alte echipamente de telecomunicații generează căldură constantă în timpul funcționării.
• Necesitățile de răcire: radiatoarele, ventilatoarele și incintele cu climatizare controlată sunt esențiale pentru menținerea fiabilității echipamentelor și a disponibilității serviciilor.

10. Sisteme de calcul de înaltă performanță (HPC):

• Producția de căldură extremă: sistemele HPC, utilizate în cercetarea științifică, AI și analiza datelor masive, implică clustere de calcul dense care produc căldură semnificativă.
• Răcirea avansată: răcirea cu lichid, răcirea prin imersie și sistemele sofisticate de răcire cu aer sunt esențiale pentru gestionarea căldurii și asigurarea funcționării neîntrerupte la viteze mari.

Accesoriile termice sunt indispensabile pentru o gamă largă de produse electronice, nu doar pentru FPGA-uri. Acestea joacă un rol vital în disiparea căldurii, prevenirea supraîncălzirii și asigurarea funcționării fiabile și eficiente a dispozitivelor. Fără o gestionare termică adecvată, produsele electronice pot suferi din cauza unei performanțe reduse, a instabilității și, în cazuri extreme, a unor defecțiuni catastrofale. Alegerea soluțiilor termice depinde de cerințele specifice ale produsului, inclusiv consumul de energie, dimensiunea și mediul operațional.

Tehnici comune de disipare a căldurii în soluțiile integrate

Tehnicile de disipare a căldurii sunt mai importante ca niciodată, sistemele devenind din ce în ce mai mici și mai puternice. Proiectanții pot utiliza mai multe metode pentru a elimina căldura din componente și PCB-uri, mecanismele comune incluzând:

Radiatoare și ventilatoare de răcire - Radiatoarele sunt piese metalice cu suprafață mare, cu conductivitate termică, ce acționează ca schimbătoare pasive de căldură, disipând căldura în aerul înconjurător prin conducție. Adăugarea ventilatoarelor de răcire la radiatoare ajută la eliminarea mai rapidă și mai eficientă a căldurii. Această combinație este una dintre cele mai comune și eficiente metode de răcire a sistemelor integrate, în special în mediile cu flux de aer limitat.

Figura 1: Acest radiator cu ventilator de răcire ajută la disiparea căldurii de la componenta (componentele) pe care este montat. (Sursa imaginii: iWave)

Integrarea conductelor termice - Conductele termice sunt dispozitive de răcire utilizate în aplicații la temperaturi ridicate. O conductă termică tipică constă dintr-un fluid care absoarbe căldura, se vaporizează și se deplasează de-a lungul conductei. La capătul condensatorului, vaporii se transformă din nou în lichid, iar ciclul se repetă. Conductele termice sunt extrem de eficiente și pot transfera căldură pe distanțe mari, ceea ce le face ideale pentru dispozitivele electronice compacte și de înaltă densitate.

Disipatoarele termice - Disipatoarele termice au o suprafață plană mare care este de obicei presată direct pe o altă suprafață plană mare. Acestea permit transferul termic de la o componentă mai mică la o suprafață metalică mai mare. Disipatoarele termice sunt ideale pentru dispozitivele care trebuie să reziste la șocuri și vibrații extreme sau care sunt amplasate în interiorul unor containere sigilate. Acestea oferă o soluție robustă pentru gestionarea căldurii în sistemele integrate rezistente și sigilate.

Răcitoarele termoelectrice (TEC) - Răcitoarele termoelectrice sunt ideale pentru sistemele în care temperatura componentelor trebuie menținută constantă. Procesoarele cu disipare de mare putere utilizează adesea o combinație de TEC-uri, răcire cu aer și răcire cu lichid pentru a depăși limitele convenționale ale răcirii cu aer. TEC-urile pot răci componentele la temperaturi sub temperatura ambiantă, oferind un control precis al temperaturii.

Traseele termice - rețelele de trasee termice sunt încorporate peste zonele umplute cu cupru și amplasate în apropierea surselor de alimentare. În această metodă, căldura curge de la componente către zona umplută cu cupru și se disipează prin aer din traseele respective. Traseele termice sunt adesea utilizate în modulele și componentele de gestionare a energiei cu plăcuțe termice, îmbunătățind conductivitatea termică a PCB-ului.

Sistemele de răcire cu lichid - Lichidele pot transfera căldura de patru ori mai rapid decât aerul, permițând performanțe termice superioare în soluții mai mici. Un sistem de răcire cu lichid include o placă de răcire sau o carcasă răcită pentru interfața cu sursa de căldură, o pompă sau un compresor pentru circulația lichidului și un schimbător de căldură pentru absorbția și disiparea căldurii în condiții de siguranță. Răcirea cu lichid este deosebit de eficientă pentru aplicațiile de mare putere și pentru ansamblurile electronice foarte dense.

Soluții termice de la iWave

Echipa de experți în inginerie mecanică de la iWave proiectează radiatoare, radiatoare cu ventilator și carcase personalizate în funcție de caracteristicile termice specifice ale produselor lor. Aceștia utilizează software de simulare termică pentru a ajuta inginerii să determine cele mai adecvate metode de răcire și să înțeleagă parametrii termici asociați, îmbunătățind, astfel, fiabilitatea generală a produsului.

Analiza modelului fluxului termic

Folosind instrumente precum Ansys Icepak, inginerii iWave pot simula modelele fluxului termic în interiorul unui dispozitiv. Această analiză ajută la identificarea punctelor termice fierbinți și la optimizarea amplasării componentelor de răcire. Prin înțelegerea modului în care căldura se deplasează printr-un sistem, inginerii pot proiecta soluții mai eficiente de gestionare termică.

Design personalizat al radiatoarelor

iWave proiectează radiatoare personalizate pentru a se potrivi nevoilor unice ale fiecărui proiect. Procesul de proiectare implică calcularea valorilor teoretice de disipare a căldurii pe baza suprafeței și a proprietăților materialului. Inginerii testează apoi aceste proiecte utilizând software de simulare pentru a se asigura că acestea asigură o răcire adecvată în diferite condiții de funcționare.

Metode de răcire pentru dispozitive active

Metodele de răcire activă, cum ar fi integrarea TEC-urilor și a ventilatoarelor de răcire, sunt, de asemenea, luate în considerare în timpul fazei de proiectare. iWave evaluează beneficiile și limitările fiecărei metode, selectând cea mai eficientă și rentabilă soluție pentru fiecare aplicație.

Soluții termice pentru toate factorii de formă

iWave oferă soluții termice pentru toți factorii de formă, inclusiv OSM, SMARC, Qseven și SODIMM. Aceste soluții utilizează aliajul de aluminiu AL6063, un material cunoscut pentru proprietățile sale excelente. Aluminiul este un conductor excelent, non-toxic, reciclabil și foarte durabil, fiind ideal pentru transferul căldurii de la componente.

Prin intermediul soluțiilor termice interne, proiectanții de produse pot reduce costurile de implementare prin eliminarea întârzierilor tehnice, a eșecurilor de pe teren și a iterațiilor produselor. Reducerea cantității de căldură disipată de dispozitiv îmbunătățește eficiența și fiabilitatea, asigurând longevitatea produsului.

Concluzie

Creșterea complexității și a densității de putere a sistemelor integrate necesită tehnici avansate de gestionare termică. Prin utilizarea unei varietăți de metode de disipare a căldurii, de la radiatoare și ventilatoare de răcire la sisteme de răcire cu lichid și trasee termice, proiectanții pot asigura performanța și fiabilitatea optimă a dispozitivelor lor. Companii precum iWave oferă soluții termice specializate, adaptate nevoilor specifice ale produselor lor, utilizând instrumente avansate de simulare și proiecte personalizate pentru a răspunde provocărilor electronicii moderne.

Pentru mai multe informații despre expertiza iWave în soluții termice, contactați-i direct.