Konstrukcja Sprzętu
Konstrukcja Sprzętu
Elektronicznego
Elektronicznego
Chłodzenie urządzeń elektronicznych
Chłodzenie urządzeń elektronicznych
mgr inż. Tomasz Widerski
mgr inż. Tomasz Widerski
Bilans cieplny
Bilans cieplny
Energia cieplna (straty)
Energia
dostarczona
URZ
DZENIE
ELEKTRONICZNE
Energia
użyteczna
Ilość wydzielanego ciepła:
Q=UIt=I2Rt Q=UItcosĆ [J]
Q=UIt=I2Rt Q=UItcosĆ [J]
Prąd stały Prąd zmienny
2
2
Bilans cieplny
Bilans cieplny
Ciepło rozproszone:
Bilans cieplny:
Qr =mCw (Te  Ts )
Qr =mCw (Te  Ts )
mCw"T=UIt
mCw"T=UIt
m  masa elementu
Gdy całe ciepło
Cw  ciepło właściwe
zostaje w elemencie:
Te  temp. elementu
t" i "T"
Ts  temp. otoczenia
Gdy element wymienia ciepło z
"T
"
"
"
1
otoczeniem:
dla t", Qr = Q i "T=const.
2
1  element nie oddaje ciepła do
otoczenia,
3
3
2  element wymienia ciepło z
t
otoczeniem.
Mechanizmy wymiany ciepła
Mechanizmy wymiany ciepła
Przewodzenie
Przewodzenie
Konwekcja (unoszenie)
Konwekcja (unoszenie)
Promieniowanie (fale elektromagnetyczne)
Promieniowanie (fale elektromagnetyczne)
Zmiana stanu skupienia
Zmiana stanu skupienia
Zjawiska Peltiera
Zjawiska Peltiera
Zazwyczaj wymiana jest złożona i stanowi kombinacje
kilku zjawisk.
Przejmowanie = przenoszenie + konwekcja
Wyróżnia się:
-Naturalne odprowadzanie ciepła
-Wymuszone odprowadzanie ciepła
4
4
Analogia miedzy wielkościami cieplnymi i
Analogia miedzy wielkościami cieplnymi i
elektrycznymi
elektrycznymi
Wielkości cieplne Wielkości elektryczne
MOC CIEPLNA  P [W] PR
D ELEKTRYCZNY  I [A]
TEMPERATURA  T [K] NAPI
CIE  U [V]
CIEPA
O  Q [J] A
ADUNEK  q [C]
REZYSTANCJA REZYSTANCJA
CIEPLNA  Rth [K/W] ELEKTRYCZNA  R [V/A=&!]
POJEMNOŚĆ POJEMNOŚĆ
CIEPLNA  Cth [J/ K] ELEKTRYCZNA  C [C/V=F]
5
5
R. Kisiel  Podstawy konstruowania urządzeń elektronicznych
R. Kisiel  Podstawy konstruowania urządzeń elektronicznych
Analogia miedzy wielkościami cieplnymi i
Analogia miedzy wielkościami cieplnymi i
elektrycznymi
elektrycznymi
P
Tz
Rth z-ob
Tz
Tob
Ts Rth ob-r
Tr
Tr
Ta
Tob
Rth r-a
Ta  temp otoczenia
Tz  temp złącza
Tob  temp obudowy
Tr  temp radiatora
6
6
Analogia miedzy wielkościami cieplnymi i
Analogia miedzy wielkościami cieplnymi i
elektrycznymi
elektrycznymi
Rezystancja złącze  obudowa
P
(Rth z-ob)  parametr katalogowy
podawany dla każdego przyrządu
indywidualnie.
Rth z-ob
Rezystancja obudowa  radiator
Tz
Tob
(Rth ob.-r)  tzw. rezystancja cieplna
przejścia - zależy od własności
Ta Rth ob-r
połączenia mechanicznego oraz
jakości stykających się powierzchni
Tr
przyrzÄ…du i radiatora.
Rth r-a
Rezystancja radiator  otoczenie
(Rth r-a)  tzw. rezystancja cieplna
radiatora  parametr katalogowy.
7
7
Wpływ temperatury na własności
Wpływ temperatury na własności
przyrządów półprzewodnikowych.
przyrządów półprzewodnikowych.
Parametry:
Parametry:
koncentracja elektronów i dziur
koncentracja elektronów i dziur
ruchliwość elektronów i dziur
ruchliwość elektronów i dziur
czas relaksacji
czas relaksacji
czas życia elektronów i dziur
czas życia elektronów i dziur
Zjawiska:
Zjawiska:
zmiany charakterystyki I-U
zmiany charakterystyki I-U
procesy przejściowe
procesy przejściowe
niezawodność (oddziaływania długoterminowe)
niezawodność (oddziaływania długoterminowe)
przeciążenia niszczące
przeciążenia niszczące
8
8
Wpływ temperatury na własności
Wpływ temperatury na własności
przyrządów półprzewodnikowych
przyrządów półprzewodnikowych
Wpływ temperatury na izotermiczną charakterystykę I-U diody
(moc rozpraszana w diodzie jest pomijalnie mała):
I
T2 T1
Obie charakterystyki sÄ… otrzymane
przy założeniu, że we wnętrzu
przyrzÄ…du panuje taka sama
temperatura Ta jak na zewnÄ…trz
(warunki izotermiczne), a różnice
U
między nimi są wyłącznie efektem
zmian wielkości fizycznych wraz z
temperaturÄ….
T19
9
Cieplne parametry przyrządów
Cieplne parametry przyrządów
półprzewodnikowych
półprzewodnikowych
Utrzymywanie wewnętrznej temperatury przyrządu na odpowiednio
niskim poziomie jest konieczne dla:
normalnej pracy (parametry katalogowe są ważne do pewnej
temperatury podanej w katalogu)
bezpiecznej pracy (przekroczenie dopuszczalnej temperatury
prowadzi do zniszczenia przyrzÄ…du lub jego powolnej destrukcji)
Dopuszczalna temperatura przyrzÄ…du jest podawana w katalogach jako:
Tj  temperatura złącza,
Producenci deklarują również dwa dodatkowe parametry termiczne:
dla stanu ustalonego: Rth - cieplna rezystancja
dla stanu przejściowego: Zth - cieplna impedancja
10
10
Temperatury graniczne
Utrzymanie wewnętrznej temperatury przyrządu w odpowiednim
zakresie temperatur jest konieczne dla:
BEZPIECZNEJ PRACY  przekroczenie dopuszczalnej temperatury
prowadzi do zniszczenia przyrzÄ…du lub jego powolnej destrukcji
NORMALNEJ PRACY  parametry katalogowe są ważne do pewnej
temperatury podanej w katalogu
Standardy temperaturowe dla zastosowań sprzętu elektronicznego:
ZAKRES TEMPERATURA
KOMERCYJNY
0 ÷ 70 [OC]
÷
÷
÷
PRZEMYSA
OWY
-25 ÷ 85 [OC]
÷
÷
÷
PRZEMYSA
OWY ROZSZERZONY
-40 ÷ 125 [OC]
÷
÷
÷
MILITARNY
-55 ÷ 125 [OC]
÷
÷
÷
11
11
Warunki pracy
Konieczność rozszerzenia zakresu temperatury
pracy
Otoczenie układu
PodzespoÅ‚y blisko Otoczenie alternatora (150°C)
zapÅ‚onowego (130°C)
silnika (120°C)
Podzespoły
Blok silnika (140°C)
oddalone od silnika
(105°C)
Wydech (578°C)
Przestrzeń pomiędzy silnikiem a
powierzchniÄ… drogi (70°C)
Olej silnikowy i przekÅ‚adniowy (150°C)
Powierzchnia drogi
Komponenty montowane przy
(40-60°C)
piastach kół (do 250°C)
Przykładowe temperatury w komorze silnika
Przykładowe temperatury w komorze silnika
12
12
G.W. de Vos, D.E. Helton,  Migration of Power Train Electronics to On-Engine and On-Transmission ,
SAE Technical Paper Series 1999-01-0159
Warunki pracy
Wzrost temperatury otoczenia
Wzrost integracji i miniaturyzacji struktur półprzewodnikowych
1 000 000 000
Pentium® 4 proc Core 2
100 000 000
10 000 000
Pentium® proc
1 000 000
386
100 000
8086
10 000
8080
1 000
1970 1980 1990 2000 2010
Lata
13
13
Ilo
ść
tranzystorów
Temperatury graniczne
Ze względu na dopuszczalne temperatury pracy elementy
elektroniczne można zakwalifikować do jednej z dwóch grup:
ZAKRES TEMPERATURA
MILITARNY
-55 ÷ 125 [OC]
÷
÷
÷
DOLNY ZAKRES
150 ÷ 300 [OC]
÷
÷
÷
ELEKTRONIKA WYSOKOTEMPERATUROWA
GÓRNY ZAKRES
300 ÷ 1000 [OC]
÷
÷
÷
ELEKTRONIKA WYSOKOTEMPERATUROWA
(ang. High Temperature Electronics  HTE)
obejmuje wszystkie elementy i urzÄ…dzenia elektroniczne
przystosowane do pracy w temperaturach powyżej 1500C
14
14
HTE - materiały
Elektronika wysokotemperaturowa:
Wysoka temperatury otoczenia
Duże gęstości wydzielanego ciepła
Stosowane materiały:
TEMPERATURA MATERIAA

< 300 [OC] Si  SOI
300 ÷ 500 [OC] GaAs, InP, GaP
÷
÷
÷
> 500 [OC] SiC, C-diament, GaN, BN
15
15
Cieplne parametry przyrządów
Cieplne parametry przyrządów
półprzewodnikowych
półprzewodnikowych
Rezystancja cieplna
Jest to najprostszy model termiczny przyrządu półprzewodnikowego dla
stanu ustalonego, wiążący temperaturę w jego wnętrzu z rozpraszaną mocą,
opisany wzorem:
Tj -Ta
-
-
-
Rth =
=
=
=
PO
gdzie:
Tj  temperatura złącza odpowiadająca maksymalnej temperaturze wewnątrz
przyrzÄ…du
Ta  temperatura zewnętrzna  w ogólnym przypadku temperatura otoczenia
PO  moc elektryczna rozpraszana w przyrzÄ…dzie
16
16
Cieplne parametry przyrządów
Cieplne parametry przyrządów
półprzewodnikowych
półprzewodnikowych
Impedancja cieplna (cieplna rezystancja przejściowa)
Jest to najprostszy model termiczny przyrządu półprzewodnikowego dla
stanu przejściowego wiążący zmiany temperatury w jego wnętrzu z
rozpraszanÄ… mocÄ…. Jest ona zdefiniowana wzorem:
Tj (t) -Ta
-
-
-
Zth(t) =
=
=
=
PO
gdzie:
Tj(t) - zależna od czasu funkcja określająca zmiany temperatury złącza
Ta - temperatura zewnętrzna  w ogólnym przypadku temperatura otoczenia
PO - funkcja skokowa reprezentujÄ…ca moc rozpraszanÄ… w przyrzÄ…dzie
17
17
Cieplne parametry przyrządów
Cieplne parametry przyrządów
półprzewodnikowych
półprzewodnikowych
Rezystancja cieplna  schemat zastępczy
18
18
Praca z radiatorem
Praca z radiatorem
Ścieżka przepływu ciepła:
Ścieżka przepływu ciepła:
Tj Tc Tr
Tj
Rthj-c
Rthc-r
Rthr-s
Ts
Rthj-c  rezystancja cieplna złącze-obudowa
Tr
Rthc-r  rezystancja cieplna obudowa-radiator
Ts
Tc
Rthr-s  rezystancja cieplna radiator-otoczenie
Rthj-s = Rthj-c + Rthc-r + Rthr-s
Tj -Tc Tc -Tr Tr -Ts
Tj -Ts
Rthj-s = + +
Rthj-s =
Psr Psr Psr
Psr
19
19
Praca z radiatorem
Praca z radiatorem
Zdefiniowanie wymagań:
Dane wejściowe:
1. Rthj-c  parametr katalogowy,
2. Tj  katalogowe Tjmax lub wartość mniejsza, przyjęta arbitralnie,
3. Rthc-r  wielkość określona dla przyjętej metody połączenia z
radiatorem,
4. Pśr  wielkość wyznaczona dla zadanych warunków pracy.
Obliczenia
Pierwszy krok: Tc = Tj - Rthj-c Pśr
Tr = Tc - Rthc-r Pśr
Drugi krok:
Rthr-a = (Tr-Ta) / Pśr
Trzeci krok:
20
20
Dobór radiatorów
Dobór radiatorów
Wyznaczenie mocy średniej Pśr
Wyznaczenie mocy średniej Pśr
Dioda: podstawą do wyznaczenia mocy średniej jest liniowa
Dioda: podstawą do wyznaczenia mocy średniej jest liniowa
aproksymacja charakterystyki diody:
aproksymacja charakterystyki diody:
stan przewodzenia:
stan przewodzenia:
u(t) = U0 + Rd i(t) p(t) = U0 i(t) + Rd i2(t)
u(t) = U0 + Rd i(t) p(t) = U0 i(t) + Rd i2(t)
sygnał okresowy przemienny:
sygnał okresowy przemienny:
Pprzew. = U0 Iśr + Rd Isk2
Pprzew. = U0 Iśr + Rd Isk2
Stan blokowania:
Stan blokowania:
i(t) = I0 + Gd u(t) p(t) = I0 u(t) + Gd u2(t)
i(t) = I0 + Gd u(t) p(t) = I0 u(t) + Gd u2(t)
sygnał okresowy przemienny:
sygnał okresowy przemienny:
Pblok. = I0 Uśr + Gd Usk2
Pblok. = I0 Uśr + Gd Usk2
21
21
Moc średnia: Pśr = Pprzew. + Pblok.
Moc średnia: Pśr = Pprzew. + Pblok.
Dobór radiatorów
Dobór radiatorów
Wyznaczenie mocy średniej Pśr
Wyznaczenie mocy średniej Pśr
Tranzystor
Tranzystor
Obciążenie statyczne:
Obciążenie statyczne:
Pst = ICUCE + IBUBE
Pst = ICUCE + IBUBE
lub Pst = ICUCB + IBUBE
lub Pst = ICUCB + IBUBE
zakładając: IB < IC oraz UCE > UBE
zakładając: IB < IC oraz UCE > UBE
otrzymujemy: Pst H" ICUCE
otrzymujemy: Pst H" ICUCE
Obciążenie impulsowe:
Obciążenie impulsowe:
22
22
Pśr = Pst + Pprzeł
Pśr = Pst + Pprzeł
Dobór radiatorów
Dobór radiatorów
Wyznaczenie mocy średniej Pśr
Wyznaczenie mocy średniej Pśr
Układ scalony
Układ scalony
Układy scalone charakteryzują się dużą ilością wejść
Układy scalone charakteryzują się dużą ilością wejść
i wyjść, stąd trudno byłoby wyznaczyć dla nich
i wyjść, stąd trudno byłoby wyznaczyć dla nich
rozpraszanÄ… moc stosujÄ…c klasyczne metody.
rozpraszanÄ… moc stosujÄ…c klasyczne metody.
Specyfika układów scalonych MOS pozwala na
Specyfika układów scalonych MOS pozwala na
podejście bazujące na założeniu, że cała rozproszona
podejście bazujące na założeniu, że cała rozproszona
moc pochodzi ze z
ródeł napięciowych zasilających układ
moc pochodzi ze z
ródeł napięciowych zasilających układ
scalony:
scalony:
Pśr=Uziz(t)
Pśr=Uziz(t)
23
23
Dobór radiatorów
Dobór radiatorów
Wyznaczenie rezystancji radiatora Rthr-a
Wyznaczenie rezystancji radiatora Rthr-a
Wprowadzenie
Wprowadzenie
Punktem wyjścia jest rezystancja radiatora oszacowana
Punktem wyjścia jest rezystancja radiatora oszacowana
wzorem:
wzorem:
Rthr-s = (Tr  Ts) / Pśr
Rthr-s = (Tr  Ts) / Pśr
gdzie: Tr  temperatura radiatora w bezpośredniej
gdzie: Tr  temperatura radiatora w bezpośredniej
bliskości przyrządu
bliskości przyrządu
Rzeczywista rezystancja radiatora powietrznego wynika
Rzeczywista rezystancja radiatora powietrznego wynika
z równania konwekcji:
z równania konwekcji:
Pśr = ą Sr (Trśr  Ts)
Pśr = ą Sr (Trśr  Ts)
gdzie:
gdzie:
Trśr  temperatura średnia powierzchni radiatora < Tr
Trśr  temperatura średnia powierzchni radiatora < Tr
ą  współczynnik konwekcji Sr  powierzchnia radiatora
ą  współczynnik konwekcji Sr  powierzchnia radiatora
24
24
Dobór radiatorów
Dobór radiatorów
Wyznaczenie rezystancji radiatora Rthr-a
Wyznaczenie rezystancji radiatora Rthr-a
Rezystancja własna radiatora obliczona z równania
Rezystancja własna radiatora obliczona z równania
konwekcji:
konwekcji:
Trsr -Ts 1
R'thr-s = =
Psr Ä…Sr
Dla celów projektowych wygodniejsza jest rezystancja
Dla celów projektowych wygodniejsza jest rezystancja
wyznaczana względem temperatury Tr. Wymaga to
wyznaczana względem temperatury Tr. Wymaga to
wprowadzenia współczynnika korekcyjnego · zwanego
wprowadzenia współczynnika korekcyjnego · zwanego
sprawnoÅ›ciÄ… radiatora (·d"1)
sprawnoÅ›ciÄ… radiatora (·d"1)
1 Tr -Ts 1
Rthr-s = R'thr-s = =
· Psr Ä…·Sr
25
25
Dobór radiatorów
Dobór radiatorów
Przykład  obliczenie długości radiatora
Przykład  obliczenie długości radiatora
Wymagane dane wejściowe:
wartość Rthr-a  wyznaczona z obliczeń wstępnych,
typ kształtownika  wybrany z katalogu, właściwy dla
przyrzÄ…du, np. K2 (typowy m.in. dla obudowy TO-3)
sprawność radiatora ·  wynikajÄ…ca z ksztaÅ‚tu radiatora oraz
warunków chłodzenia: naturalne, wymuszone (maleje wraz
ze wzrostem prędkości przepływu powietrza)
współczynnik konwekcji ą  właściwy dla radiatora, jego
usytuowania oraz warunków chłodzenia (rośnie wraz ze
wzrostem prędkości przepływu powietrza)
26
26
Dobór radiatorów
Dobór radiatorów
Przykład  obliczenie długości radiatora
Przykład  obliczenie długości radiatora
Dane wejściowe:
Dane wejściowe:
Poszukiwany radiator dla tranzystora w obudowie TO-3:
" rezystancja termiczna złącze-obudowa Rthj-c=2,5K/W
" moc średnia Pśr=12W
" dopuszczalna temperatura złącza Tj=110OC
" max. temperatura otoczenia Ts=30OC
" rezystancja przejścia (obudowa-radiator) Rthc-r=1K/W
Wyznaczenie wartości Rthr-s:
Wyznaczenie wartości Rthr-s:
Rthr-s=Rthj-s-Rthj-c-Rthc-r=(Tj-Ts)/Pśr-Rthj-c-Rthc-r=3,16K/W
Rthr-s=Rthj-s-Rthj-c-Rthc-r=(Tj-Ts)/Pśr-Rthj-c-Rthc-r=3,16K/W
27
27
Dobór radiatorów
Dobór radiatorów
Przykład  obliczenie długości radiatora
Przykład  obliczenie długości radiatora
kształtownik K2 o parametrach:
kształtownik K2 o parametrach:
przekrój F=7cm2
przekrój F=7cm2
obwód Ob.=50cm.
obwód Ob.=50cm.
współczynnik konwekcji  konwekcja naturalna, dla
współczynnik konwekcji  konwekcja naturalna, dla
której ą<10W/m2K  przyjęto ą=8W/m2K
której ą<10W/m2K  przyjęto ą=8W/m2K
sprawność radiatora  konwekcja naturalna dla której
sprawność radiatora  konwekcja naturalna dla której
·=(0,8÷0,9)  przyjÄ™to ·=0,8.
·=(0,8÷0,9)  przyjÄ™to ·=0,8.
28
28
Dobór radiatorów
Dobór radiatorów
Przykład  obliczenie długości radiatora
Przykład  obliczenie długości radiatora
Obliczenia:
Obliczenia:
powierzchnia radiatora:
powierzchnia radiatora:
1
Sr = = 500cm2
Ä…·Rthr -s
długość radiatora:
długość radiatora:
Sr - 2F
l = H" 9,7cm
Ob
29
29
Chłodzenie powietrzne
Odprowadzanie ciepła z elementów elektronicznych:
Ilość przejmowanego ciepła można obliczyć
w oparciu o równanie konwekcji:
P = Ä…Sr (TÅšR -Ta)
gdzie: ą  współczynnik przejmowania ciepła [W/m2K]
Sr  powierzchnia radiatora [m2]
TŚR  temperatura średnia powierzchni radiatora [0C]
Ta  temperatura otoczenia [0C]
mamy wpływ na&
30
30
Chłodzenie powietrzne
Zwiększanie powierzchni radiatora:
Przy takich samych
założeniach i warunkach
brzegowych&
& wzrost powierzchni
o 60%...
161.8 161.925 162.05 162.175 162.3
161.863 161.988 162.113 162.238
& spowodował spadek
temperatury o 500C!
110.8 110.975 111.15 111.325 111.5
110.888 111.062 111.237 111.412
31
31
Chłodzenie powietrzne
Zwiększanie powierzchni radiatora:
Przy takich samych
założeniach i warunkach
brzegowych&
& wzrost powierzchni
o kolejne 60%...
110.8 110.975 111.15 111.325 111.5
110.888 111.062 111.237 111.412
& spowodował spadek
temperatury o 260C!
& oraz znacznie
zwiększył nierówno-
mierność rozkładu
84.6 84.825 85.05 85.275 85.5
temperatury radiatora!
84.712 84.938 85.162 85.388
32
32
Chłodzenie powietrzne
Zwiększanie powierzchni radiatora:
www.ldssystem.it
Zwiększanie powierzchni radiatora powyżej pewnej ściśle określonej
wartości nie przynosi znaczącej poprawy wydajności układu chłodzącego.
http://www.thermacore.com
33
33
Chłodzenie powietrzne
Zmiana współczynnika przejmowania ciepła:
Wzrost współczynnika przejmowania ciepła dla powietrza można uzyskać
poprzez:
Zastosowanie konwekcji wymuszonej.
obniżenie temperatury powietrza na wylocie z radiatora
wzrost prędkości przepływu powietrza powoduje wzrost efektywności
odprowadzania ciepła
dobrze dopasowany wentylator może nawet dziesięciokrotnie
zmniejszyć rezystancję termiczną układu chłodzącego
przekroczenie prÄ™dkoÅ›ci powietrza powyżej 8 ÷ 10 m/s powoduje
zwiększenie szumu, którego poziom głośności zaczyna być
dokuczliwy
34
34
Chłodzenie powietrzne
Chłodzenie wymuszone
S-PAL8952M81
CNPS7000-Cu
P612H35TM
Alpha
Zalman
Al
Cu
Alpha
0,32 K/W
0,2 - 0,27 K/W
Al-Cu
36 dB
20 - 25 dB
0,22 - 0,245 K/W
INTEL Pentium II/III
INTEL Pentium 4
40 dB
AMD Athlon (K7)
AMD Athlon 64
INTEL Pentium 4
AMD Athlon 64
35
35
Chłodzenie powietrzne
RozwiÄ…zania specjalizowane
Agregaty chłodzące  tunele powietrzne
Fisher Elektronik, www.lafotelektronik.com
36
36
The Next Generation of Cooling Equipment, katalog firmy Austerlitz Electronics, 2000
Termika układów elektronicznych
Termika układów elektronicznych
Rezystancja przejścia - materiały pośredniczące
Rezystancja przejścia - materiały pośredniczące
Ścieżka przepływu ciepła:
Ścieżka przepływu ciepła:
Typowe przejście zawiera:
Rthj-c Rthr-s
Tj
" lokalne miro-wypukłości
" lokalne mikro-wklęsłości
Rthc-r
" zakrzywionÄ… powierzchniÄ™
W typowym kontakcie
90% powierzchni
zajmujÄ… dziury
powietrzne
37
37
Termika układów elektronicznych
Termika układów elektronicznych
Rezystancja przejścia - materiały pośredniczące
Rezystancja przejścia - materiały pośredniczące
Rthc-r rezystancja związana ze stykiem pomiędzy
Rthc-r rezystancja związana ze stykiem pomiędzy
obudową przyrządu a radiatorem, zależna od :
obudową przyrządu a radiatorem, zależna od :
Powierzchni styku
Powierzchni styku
Rodzaju stykajÄ…cych siÄ™ metali
Rodzaju stykajÄ…cych siÄ™ metali
Gładkości powierzchni
Gładkości powierzchni
Siły docisku pomiędzy powierzchniami
Siły docisku pomiędzy powierzchniami
Liczby śrub dociskających
Liczby śrub dociskających
Typ obudowy Rthc-r[K/W]
TO-126 1
Typowe wartości
Typowe wartości
TO-66 1,5
TO-220 0,5
TO-3 0,5
38
38
Termika układów elektronicznych
Termika układów elektronicznych
Rezystancja przejścia - materiały pośredniczące
Rezystancja przejścia - materiały pośredniczące
Materiały termoprzewodzące a rezystancja przejścia
Materiały termoprzewodzące (ang. Thermal Interface Materials  TIMs) są to
materiały wykorzystywane w elektronice do wypełnienia  dziur powietrznych
w celu poprawy efektywności transportu ciepła (zmniejszenia Rth).
PASTY
MATERIAA
Y IZOLACYJNE
MATERIAA
Y A

CZENIOWE
MATERIAA
Y Z PRZEMIAN
FAZOW

39
39
D. Blazej, Thermal Interface Materials, Electronics Cooling, vol.9, nr 4, 2003
Termika układów elektronicznych
Termika układów elektronicznych
Rezystancja przejścia - materiały pośredniczące
Rezystancja przejścia - materiały pośredniczące
pasty  substancje o konsystencji żelu wprowadzane pomiędzy dwie
pasty  substancje o konsystencji żelu wprowadzane pomiędzy dwie
powierzchnie w celu wypełnienia mikro-por pomiędzy nimi,
powierzchnie w celu wypełnienia mikro-por pomiędzy nimi,
materiały izolacyjne  materiały dobrze przewodzące ciepło
materiały izolacyjne  materiały dobrze przewodzące ciepło
o cechach izolatora, wykorzystywane jako izolujące przekładki
o cechach izolatora, wykorzystywane jako izolujące przekładki
pomiędzy przyrządem półprzewodnikowym, a obudową lub
pomiędzy przyrządem półprzewodnikowym, a obudową lub
radiatorem,
radiatorem,
materiały łączeniowe  materiały dobrze przewodzące ciepło,
materiały łączeniowe  materiały dobrze przewodzące ciepło,
wykorzystywane jako przekładki pośredniczące do połączeń
wykorzystywane jako przekładki pośredniczące do połączeń
pomiędzy obudową plastikową przyrządu a radiatorem lub pomiędzy
pomiędzy obudową plastikową przyrządu a radiatorem lub pomiędzy
elementami o tym samym potencjale,
elementami o tym samym potencjale,
materiały z przemianą fazową  materiały charakteryzujące się
materiały z przemianą fazową  materiały charakteryzujące się
zmianą stanu skupienia na półpłynny w podwyższonej
zmianą stanu skupienia na półpłynny w podwyższonej
temperaturze, spełniające tą sama rolę co pasty (dopasowują się do
temperaturze, spełniające tą sama rolę co pasty (dopasowują się do
istniejÄ…cych mikro-por),
istniejÄ…cych mikro-por),
40
40
Chłodzenie cieczowe
Pierwsze systemy chłodzenia cieczowego:
lata 50-te XX wieku  ENERGOELEKTRONIKA (tranzystory mocy)
 pierwsze pomyślne próby zastosowania chłodzenia cieczowego
lata 80-te XX wieku  MIKROELEKTRONIKA  pierwsze próby oraz
ogólna akceptacja cieczy jako chłodziwa
Chłodzenie cieczowe dzielimy na:
bezpośrednie  elementy elektroniczne zanurzone są w medium
chłodzącym;
pośrednie  ciepło dociera do chłodzącej cieczy przepływając przez
elementy konstrukcyjne umieszczone pomiędzy miejscem wydzielania
ciepła, a obszarem w którym płynie chłodząca ciecz;
41
41
Chłodzenie cieczowe
Systemy chłodzenia cieczowego w porównaniu z systemami
powietrznymi charakteryzujÄ… siÄ™:
mniejszymi wymiarami
cichszÄ… pracÄ…
znacznie większą wydajnością
duża pojemność cieplna cieczy
znaczną poprawą niezawodności całego systemu
42
42
Chłodzenie cieczowe
Chłodzenie pośrednie  radiatory wodne
Pierwsze radiatory wodne
pojawiły się w latach
50-tych XX wieku.
RozwiÄ…zania dedykowane
dla konkretnych przyrządów
półprzewodnikowych.
Kształt  najczęściej walca
o średnicy odpowiadającej
średnicy obudowy
pastylkowej.
Typowa efektywność radiatorów wodnych
jest rzędu 100 W/cm2
43
43
Chłodzenie cieczowe
Chłodzenie pośrednie  przykładowe rozwiązania
44
z
ródła: http://www.austerlitz-electronic.de; http://www.d6industries.com; 44
http://www.aavidthermalloy.com; http://www.lytron.com
Chłodzenie cieczowe
Chłodzenie mikrokanałowe
moduł 3D MCI firmy Curamik dla Modułów Mocy
Siatka kanałów 3D: 5 do 11 miedzianych, perforowanych płyt
o grubości 0,7mm tworzy
strukturÄ™ plastra miodu
Pozwala na odebranie 1,5 kW
z elementów o powierzchni 4cm2
umieszczonych na module
o wymiarach 6,2 x 6,2 cm
http://www.curamik.com
45
45
Chłodzenie wspomagane
Wspomaganie chłodzenia nie jest procesem
przekazywania ciepła do otoczenia.
SÄ… to rozwiÄ…zania
polepszające transport ciepła od obudowy
do radiatora, czyli zmniejszające wartość Rthcr
pozwalające wyrównać wahania temperatury
na powierzchni radiatora
pozwalające zwiększyć efektywność oddawania
przez podwyższenie temperatury radiatora
46
46
Chłodzenie wspomagane
Systemy chłodzenia z przemianą fazową  Systemy waporowe
Zasada działania systemów chłodzenia z przemianą fazową jest oparta na:
wymianie ciepła w procesach (zmiany stanu skupienia)
parowania (z fazy ciekłej na gazową)
skraplania (z fazy gazowej na ciekłą)
SKRAPLACZ
PARA
WARUNEK DZIAA
ANIA:
NASYCONA
Skraplacz musi być w stanie
przejąć ciepło skraplającej
CIECZ W
siÄ™ pary bez nadmiernego
STANIE
wzrostu temperatury!!!
WRZENIA
PAROWNIK
47
47
Chłodzenie wspomagane
Rury cieplne (ang. heat pipes)
1 -
PAROWNIK
STRUKTURA
2 -
KAPILARNA
3 - SKRAPLACZ
48
48
Scott D., Garner P.E., Heat Pipes for Electronics Cooling
Applications, Electronics Cooling, vol.2, nr 3, 1996
Chłodzenie wspomagane
Chłodzenie waporowe - pompy kapilarne
pompy kapilarne typu LHP (Loop Heat Pipes)
pompy kapilarne typu CPL (Capillary Pumped Loop)
www.thermacore.com
ZALETY POMP KAPILARNYCH
stosunkowo wysokie gęstości powierzchniowe odprowadzanej mocy
możliwość transportowania ciepła na względnie duże odległości
duża swoboda rozmieszczenia poszczególnych elementów układu
49
49
Chłodzenie wspomagane
Chłodzenie waporowe - przykładowe parametry pomp
kapilarnych
Odległość na
Płyn materiał Max.
jaką można materiał Max. rezystancja
Zastosowanie transportować chłodzący ; sieci strumień
obudowy moc termiczna
temp. pracy kapilar ciepła
ciepło
amoniak
Lotnictwo 0,6 m stal nikiel 200W 5W/cm² 0,075K/W
-40 ÷ 80°C
Elektronika amoniak nikiel,
0,6 m stal 500W 100W/cm² 0,07K/W
wysokotemp. tytan
-40 ÷ 80°C
metanol
Energia
2 m stal stal 1kW 15W/cm² 0,02K/W
słoneczna
55 ÷ 140°C
woda
Elektronika 1 m miedz
miedz
175W 20W/cm² 0,143K/W
90 ÷ 250°C
Zastosowania amoniak
2 m stal nikiel 500W 12W/cm² 0,02K/W
kosmiczne
-40 ÷ 80°C
50
50
z
ródło: http://www.thermacore.com
Chłodzenie wspomagane
Zjawisko Peltiera (1834)
Polega na wydzielaniu lub pochłanianiu ciepła na styku
dwóch przewodników / półprzewodników w wyniku
przepływu prądu
51
51
Chłodzenie wspomagane
Komórka Peltiera  ZASADA DZIAA
ANIA
CIEPA
O
Qwy
Tc
QP QOhm QRth
n p
CHA
ODZENIE
Tz
Qwe
J
 +
QP  ciepło Peltiera (  I)



QRth  dyfuzja ciepła ( "
"T Rth)
"
"
QOhm  straty omowe ( RI2)
Qwy  ciepło odprowadzane z komórki Peltiera
Qwe  ciepło odbierane z chłodzonego elementu
52
52
QEF. PRZEPOMP. = QP  (QRth + QOhm)
Chłodzenie wspomagane
Komórka Peltiera  PRZYKA
ADOWE ROZWI
ZANIE
struktury
struktury
jednowarstwowe
wielowarstwowe
53
53
z
ródło: www.supercool.se
DZI
KUJ
ZA UWAG

DZI
KUJ
ZA UWAG

DZI
KUJ
ZA UWAG