Cum să vă răcoriți: elementele de bază pentru selectarea radiatoarelor și aplicații

Reducerea continuă a dimensiunii majorității componentelor electronice – în special a microprocesoarelor și a microcontrolerelor – a dus la o creștere a densității căldurii. O consecință a acestei evoluții este faptul că proiectarea și gestionarea termică au devenit preocupări majore pentru proiectare, deoarece speranța de viață, fiabilitatea și performanța sunt invers legate de temperatura de funcționare a unui dispozitiv. Prin urmare, proiectanților le revine datoria de a înțelege clar managementul termic eficient și soluțiile disponibile de radiatoare, pentru menținerea temperaturii de funcționare a unui dispozitiv în limitele stabilite de furnizor.

Radiatoarele funcționează prin creșterea suprafeței dispozitivului expuse agentului de răcire (aerului). Atunci când sunt montate corespunzător, radiatoarele reduc temperatura unui dispozitiv prin îmbunătățirea transferului de căldură către aerul ambiental mai rece peste limita solid-aer.

Acest articol oferă o prezentare generală a selecției de radiatoare, precum și îndrumări pentru design corespunzător, selectarea componentelor și cele mai bune practici pentru atingerea unei performanțe de răcire excelente. Soluțiile de radiatoare de la Ohmite vor fi utilizate ca exemple practice.

Circuitul termic

Puterea este disipată de la joncțiunile tranzistorului activ dintr-un circuit integrat (CI) sub formă de căldură, temperatura joncțiunii fiind proporțională cu puterea disipată. Producătorii specifică temperatura maximă a joncțiunii, chiar dacă aceasta este, în general, în jur de 150°C. Depășirea acestei temperaturi a joncțiunii duce, în general, la deteriorarea dispozitivului, astfel încât proiectanții trebuie să caute modalități de a extrage cât se poate de multă căldură din CI. În acest scop, aceștia se pot baza pe un model destul de simplu de măsurare a fluxului de căldură – similar legii lui Ohm pentru calculele electrice – bazat pe conceptul de rezistență termică, simbolizată prin θ (Figura 1).

Figura 1: Modelul circuitului termic pentru un CI cu un radiator, bazat pe conceptul rezistenței termice simbolizată prin θ. (Sursă imagine: DigiKey)

Rezistența termică este rezistența pe care o întâlnește căldura atunci când trece dintr-un mediu în altul. Aceasta se măsoară în unități de grade centigrade per watt (°C/watt) și este definită ca:

 Ecuația 1

Unde:

θ este rezistența termică peste o barieră termică în °C/watt.

∆T este diferența de temperatură peste bariera termică în °C.

P este puterea disipată în joncțiune în wați.

Privind aranjamentul fizic al CI și al radiatorului, există mai multe interfețe termice. Prima este cea dintre joncțiune și carcasa CI, care este modelată de rezistența termică θ_jc.

Radiatorul este atașat la CI cu ajutorul unui material de interfață termică (TIM) – fie pastă termică, fie bandă termică – pentru a crește conductivitatea termică dintre cele două dispozitive. Acest strat, care, în general, are o rezistență scăzută, este modelat ca parte a rezistenței termice carcasă-radiator, θ_cs. Etapa finală este interfața radiatorului cu mediul ambiant, θ_sa.

Rezistențele termice sunt adăugate în serie exact ca rezistențele dintr-un circuit electronic. Suma tuturor rezistențelor termice produce rezistența termică totală de la joncțiune la aerul ambiant.

Rezistența termică de la joncțiune la carcasă este, în general, specificată, implicit sau explicit, de către furnizorul CI. Specificația poate fi sub forma unei temperaturi maxime a carcasei, eliminând unul dintre elementele de rezistență termică. Proiectantul care aplică CI nu are control asupra caracteristicii rezistenței termice de la joncțiune la carcasă. Cu toate acestea, proiectantul poate selecta caracteristicile TIM și ale radiatorului necesare pentru răcirea suficientă a CI cu scopul de a menține temperatura joncțiunii sub valoarea maximă specificată. În general, cu cât este mai mică rezistența termică a TIM și a radiatorului, cu atât este mai mică temperatura carcasei CI.

Exemplu de selectare a radiatorului

Ohmite oferă seria BG de radiatoare proiectate pentru a funcționa cu unități centrale de procesare (CPU) cu matrice cu grile cu bile (BGA) sau cu matrice cu grile cu bile din plastic (PGBA), unități de procesare grafică (GPU-uri) sau procesoare similare cu amprente de pachete pătrate (Figura 2).

Figura 2: Seria BG de radiatoare este adecvată pentru CI-uri cu pachete BGA, inclusiv CPU-uri, GPU-uri și altele cu amprente pătrate similare. (Sursă imagine: Ohmite)

Există zece designuri de radiatoare în linie, cu amprente care se potrivesc configurațiilor CI-urilor comune de la 15 x 15 milimetri (mm) la 45 x 45 mm și zone cu aripioare de răcire cuprinse între 2.060 și 10.893 mm² (Tabelul 1). Aceste radiatoare conforme RoHS sunt fabricate din aliaj de aluminiu anodizat 6063-T5 negru.

Tabelul 1: Seria BG variază în ceea ce privește zona cu aripioare de răcire de la 2.060 la 20.893 mm². (Sursă tabel: DigiKey)

Valorile rezistenței termice din tabel sunt pentru răcirea prin convecție naturală. Convecția forțată prin utilizarea unui ventilator, reduce rezistența termică proporțională cu viteza aerului de răcire. Răcirea forțată cu aer poate reduce rezistența termică cu un factor de doi sau trei la unu (Figura 3).

Figura 3: Performanța termică a radiatoarelor Ohmite din seria BG pentru răcirea forțată a aerului. (Sursă imagine: Ohmite)

Materiale de interfață termică

În cazul seriei BG de la Ohmite, materialul de interfață termică utilizat între carcasa CI și radiator este o bandă termică cu două fețe, care este furnizată împreună cu radiatorul. Utilizarea benzii cu două fețe simplifică instalarea, deoarece banda nu necesită niciun design sau fabricare mecanică.

De obicei, TIM-urile sunt specificate prin conductivitatea lor termică în unități de wați per metru-Celsius (watt/(m°C)) sau wați per metru-Kelvin (wați/(m°K)). Rezistența termică a stratului TIM depinde de grosimea benzii și de zona pe care este aplicată. Rezistența termică poate fi calculată cu ajutorul ecuației:

 Ecuația 2

Unde:

Grosimea este exprimată în metri (m).

Suprafața este exprimată în metri pătrați (m²).

Conductivitatea termică este exprimată fie în wați/(m°C), fie în wați/(m°K).

Celsius și Kelvin sunt interschimbabile, deoarece ambele utilizează aceeași creștere a unității de măsurare a temperaturii și diferența de temperatură este calculată (de ex., o modificare a temperaturii de 10°C este echivalentă cu o modificare a temperaturii de 10°K).

Privind radiatorul BGAH150-075E de la Ohmite, de 15 x 15 x 7,5 mm (atașat la un dispozitiv de 15 x 15 mm), suprafața TIM este de 225 mm² (225 E^-6 m²). Grosimea benzii termice furnizate este de 0,009 inch sau 0,23 mm (0,00023 m). Conductivitatea termică specificată este de 1,4 wați/(m°K). Utilizând aceste valori în ecuația 2 vom obține:

 Ecuația 3

În general, rezistența termică a TIM va fi mult mai mică decât cea a radiatorului și va scădea mai mult pentru radiatoarele cu o suprafață a amprentei mai mare.

Un exemplu de determinare a rezistenței termice minime necesare într-un radiator pentru a menține CI în limita de temperatură începe cu CI. Luați în considerare un CI de 15 x 15 mm cu o temperatură maximă specificată a carcasei de 85°C, care, în condiții normale de funcționare, disipează 2 wați, funcționând într-o incintă cu o temperatură ambientală de 45°C.

Determinarea disipării puterii pentru un procesor poate fi dificilă din cauza gamei largi de moduri de operare. Unii producători încearcă să simplifice acest lucru specificând puterea de proiectare termică sau TDP. TDP este puterea disipată atunci când rulează o „aplicație reală”. Există unele discuții cu privire la adecvarea acestei clasificări, deoarece aceasta depinde de aplicație. De asemenea, este posibil să se determine disiparea maximă a puterii făcându-se referire la cerințele curentului sursei de alimentare pentru fiecare tensiune de alimentare a CPU-ului. Această valoare poate fi mai mare decât disiparea descrisă de TDP. Proiectanții trebuie să consulte datele tehnice ale furnizorului pentru a determina cea mai bună estimare a disipării puterii nominale a unui CI.

Revenind la exemplul nostru, rezistența termică minimă (θ) a radiatorului și TIM necesare poate fi determinată cu ajutorul ecuației 4:

 Ecuația 4

BGAH150-075E de la Ohmite are o rezistență termică de 18°C/watt; cu rezistența adăugată a TIM, 0,73°C/watt, totalul fiind de 18,73°C/watt. Aceasta este mai mică decât rezistența termică minimă calculată și va funcționa. Dacă acest radiator este selectat, pe baza unui calcul invers utilizând ecuația 1 cu temperatura ambiantă menținută constantă, temperatura maximă estimată a carcasei ar fi de 82,5°C.

Ca un radiator alternativ, selectarea BGAH150-125E de la Ohmite de 15 x 15 x 12,5 mm cu o suprafață mai mare datorată unei înălțimi mai mari a aripioarelor de răcire, reduce rezistența termică totală a radiatorului și a TIM la 11°C/watt. Acest lucru ar reduce temperatura carcasei la aproximativ 67°C pentru aproximativ același cost și ar oferi o marjă de temperatură mai mare.

Alte considerații ar putea fi spațiul disponibil pentru radiator sau eventuala necesitate a unui ventilator de răcire.

Concluzie

Selectarea unui radiator este relativ simplă din punct de vedere termic. După cum s-a precizat, radiatoarele Ohmite din seria BG oferă o soluție viabilă pentru problemele legate de răcirea CI-urilor cu pachete BGA.