Heatpipe für PCIe-Karten – Fallstudie

Einführung

Aavid, der Unternehmensbereich für Wärmetechnik der Boyd Corporation, nahm die anspruchsvolle Aufgabe an, eine leistungsstarke PCIe-Karte in einem rahmenmontierten Gerät zur Satellitenverfolgung, -telemetrie und -fernsteuerung zu kühlen. Dieses Produkt fungiert als kritisches Bindeglied zwischen dem Satellitensteuerungszentrum und dem Satellit selbst.

Herausforderung

Die betreffende PCIe-Karte benötigte je nach Betriebsbedingungen 40-50W Leistung ableiten. Eine Einschränkung seitens des Kunden hinsichtlich der zusätzlichen, aktiven Kühlung machte es für Aavid erforderlich, eine passive Lösung zu finden, die die vorhandene Lüfter-Anordnung nutzte.

Der primäre Fokus der Kühllösung bestand in der MTBF-Maximierung der PCIe-Karte, indem die BGA-Gerätetemperaturen auf einem Minimum gehalten wurden.

Lösung

Für einen Leistungsverlust dieses Niveaus war ein Heatpipe-/Heizkörper-Rippen-Design die effektivste Wahl. Die heutigen High-End-Computer-Grafikkarten nutzen ein ähnliches System, um ihre Wärme zu kippen; Die meisten davon werden jedoch aktiv mit einem kleinen Bordlüfter gekühlt. Um das System passiv zu halten, entschied sich Aavid dafür, ein duales Slot-Design in Betracht zu ziehen, bei dem der zweite Slot von einer größeren Rippe eingenommen wird.

Aavid erstellte ein detailliertes CFD-Basismodell, das FPGA-, PHY-, DDR-, DDS-, Omap-, Bridge- und LTM-Pakete umfasste. Die PCB-Wärmeeigenschaften wurden gemäß der Anzahl von Masse- und Stromschichten definiert, die der Kunde spezifiziert hatte. Andere Komponenten des Systems, wie die HF- und HeatSink-Platinen, wurden als wärmeableitende Leiterplatten modelliert. Das System wurde anschließend bei einer Umgebungstemperatur von 55 °C mit einem Höhendruck von 750 hPa und einem Durchfluss von 300 LFM analysiert.

Mittels der CFD-Simulation war Aavid in der Lage, Durchfluss- und Temperaturkarten über das Board, Temperaturen an Komponentenknotenpunkten und Wärmeeigenschaften unter den oben genannten Bedingungen zu bestimmen. Dieses Basismodell wurde dann folgendermaßen verändert, um die Wärmelösung fertigzustellen:

• Für Bauteile, die ihren thermischen Grenzwert oder über deren thermischer Grenze liegen, wurden Berechnungen durchgeführt, um den minimal erforderlichen Wärmekörperwiderstand zu ermitteln, um sie in sichere Betriebsbereiche zu bringen.
• Entwickelt die thermische Lösung für alle Komponenten, die die Mindestanforderungen an die Anschlusstemperatur überschreiten.
• Optimierung des Kühlkörpers hinsichtlich DFM, Kosten und Leistung.

Die Ergebnisse

Dem Kunden wurden ein kompletter Wärmebericht und Probeeinheiten zur Überprüfung geliefert. Diese Probeeinheiten, die von Aavids Anlage zur Prototypenerstellung im Firmenhauptsitz in Laconia, NH hergestellt wurden, ermöglichten es dem Kunden, die Wärmelösung schnell und effektiv zu validieren. Nach den erfolgreichen Stichprobentests führte Aavid einen Vollproduktionslauf der PCIe-Karten-Kühlungslösung für den Einsatz im Endprodukt durch. Vom Konzept bis zur Produktion – und bei jedem Schritt dazwischen – konnte Aavid eine kosteneffektive und fristgerechte Lösung für dieses schwierige Wärmeproblem bereitstellen.

• Bei den oben getesteten Bedingungen (55°C, 750hPaund 300LFM) blieben alle Komponenten niedrig die maximalen Anschlusstemperaturgrenzwerte.
• Die Umgebungstemperatur innerhalb des Gehäuses liegt deutlich unter 85 °C, wobei das vorgeschlagene Kühlkörperdesign einer Umgebungstemperatur von 55 °C ausgesetzt ist.
• Seitenbumseln wurden empfohlen, da sie, wenn sie enthalten sind, eine Luftumgehung verhindern und die Anschlusstemperaturen weiter verbessern würden.
• Die strategische 3D-Routing von Wärmerohren ermöglichte die Wärmeausbreitung über die Oberfläche der Pcbas sowie bis in die Flossen.

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