Wärmemanagement

Die Elektronikindustrie hat in den letzten Jahren gewaltige Fortschritte gemacht und ist zu einem wichtigen Teil unseres Alltags geworden. Die Fortschritte sind an zwei Fronten zu verzeichnen: verbesserte Funktionalität einzelner Geräte und Miniaturisierung von Geräten. Diese beiden Entwicklungen haben zur Steigerung der erforderlichen bzw. erzeugten Menge an Strom und Energie beigetragen, was wiederum die in Geräte entstehende Wärme und den Bedarf an einem adequaten Wärmemanagment erhöht.

Es gibt viele verschiedene Methoden, um Wärmeenergie zu eliminieren oder abzuleiten. Desktop-PCs benutzen normalerweise Kühlkörper aus Aluminium mit Lüftern. Notebooks verwenden Heatpipes und Wärmeleitpasten, um eine Wärmequelle mit einem Metallgehäuse und Lüftern zu verbinden. In jüngerer Zeit wurde synthetischer und natürlicher Graphit in geschlossenen Umgebungen wie Smartphones, Tablets, hyperschlanken Ultrabooks und anderen elektronikorientierten Geräten verwendet, in denen die Lüfter aufgrund von Platz-, Umgebungs- oder Geräuschbeschränkungen begrenzt sind oder nicht verwendet werden können. Boyds Diskussion über das Wärmemanagement wird verschiedene thermische Anwendungen in einer Vielzahl von verschiedenen Geräten und Endmärkten umfassen.

Wärme ist mit der ineffizienten Übertragung von potentieller und kinetischer Energie innerhalb eines Systems verbunden. Thermische Energie bewegt sich immer von einem wärmeren System zu einem kälteren System. Die Übertragung oder Dispersion von Wärme kann durch drei Hauptmechanismen erfolgen: Leitung, Konvektion oder Strahlung.

LEITUNG ist der Wärmefluss durch Feststoffe und/oder Flüssigkeiten durch die Schwingung und Kollision von Molekülen und freien Elektronen. Diese Übertragungsmethode ist am häufigsten in elektronischen Geräten, unabhängig davon, ob sie ein abgedichtetes oder belüftetes System haben.

Die Formel zur Berechnung des Leitfähigkeitsgradienten für ein gegebenes System lautet:

q = - kA (Δ T/Δ n)

Dabei ist Δ T/Δ n der Temperaturgradient in Richtung des Bereichs A und k die Wärmeleitfähigkeitskonstante des durch Experimentieren in W/m-k erhaltenen Materials.

KONVEKTION ist der Wärmefluss über Ströme innerhalb einer Flüssigkeit (Flüssigkeit oder Gas). Konvektion ist die Verschiebung von Volumina eines Stoffes in einer flüssigen oder gasförmigen Phase. Dieser Mechanismus ist bei großen Geräten mit genügend Platz für die Luft- oder Flüssigkeitszirkulation üblich.

Die Formel für Konvektion:

q = hA (Ts - T ∞)

Dabei ist h der konvektive Wärmedurchgangskoeffizient, A die im Wärmeübertragungsprozess implizierte Fläche, Ts die Temperatur des Systems und T∞ eine Referenztemperatur.

STRAHLUNG ist Wärmeübertragung durch elektromagnetische Wellen oder Photonen; es braucht kein Vermehrungsmedium. Die durch Strahlung übertragene Energie bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit. Beispielsweise kann die von der Sonne abgestrahlte Wärme zwischen der Sonnenoberfläche und der Erdoberfläche ausgetauscht werden, ohne den Übergangsraum zu erwärmen.

Die Formel zur Berechnung der Wärmemenge, die durch Strahlung übertragen wird, lautet:

q = e σ A [(ΔT)^4]

Dabei ist q die durch Strahlung übertragene Wärme, E der Emissionsgrad des Systems, σ die Konstante von Stephan-Boltzmann (5,6697*10⁻⁸ W/m². K⁴), A ist der Bereich, der an der Wärmeübertragung durch Strahlung beteiligt ist, und (ΔT)⁴ ist der Temperaturunterschied zwischen zwei Systemen zur vierten oder höheren Potenz.

Berechnungsmodelle, die über fortschrittliche Software ermöglicht werden, ermöglichen die Analyse der thermischen Eigenschaften eines Systems, einschließlich Computational Fluid Design (CFD), Computational Heat Transfer (CHT), Power Management, Schaltungsdesign und anderer elektronischer Designautomatisierungen (EDA). Eine gute Softwarefähigkeit maximiert den Wert eines Kühlkörpers oder Wärmemoduls, indem sie durch das Design den effektivsten Wärmeübertragungspfad bestätigt, bevor das Gerätedesign gesperrt wird.

Substrat: Dieses Teilsegment, das speziell zur Verbesserung der thermischen Handhabungsfähigkeit eines elektronischen Bauteils entwickelt wurde, umfasst Zweiphasen-Wärmeverteiler, Graphit-Wärmeverteiler, Diamant-Wärmeverteiler und Wärmeverteiler auf Silikonbasis. Vor kurzem wurde Graphit aufgrund seines dünnen Profils, seiner hohen Wärmeleitfähigkeit in der Ebene und seines geringen Gewichts als Bleisubstratprodukt in Smartphones und anderen versiegelten Systemgeräten ausgewählt.

Die Hauptverbraucher von Wärmemanagementprodukten befinden sich in Branchen wie Unterhaltungs- und Unternehmenselektronik, Telekommunikation, Automobil, Medizinprodukte und industrielle Anwendungen. Die gebräuchlichste Wärmemanagementlösung ist der Kühlkörper (Aluminium oder Kupfer in Abbildung 2) oder das Kühlermodul (Heatpipe in Abbildung 3), das mit Schnittstellenmaterial wie einem Gap Pad laminiert ist. Wenn die Konstruktion es zulässt, wird ein Lüfter zur beschleunigten Wärmeableitung installiert.

Das Wärmemanagement von abgedichteten Systemen ist ein völlig anderes Thema, wenn es um die Wärmeableitung aufgrund des Systemdesigns geht. In einem offenen System können wir Wärme durch Luftzirkulation leicht an die Umgebung abgeben. Geschlossene Systeme hingegen haben normalerweise keinen Platz für hohe Kühlkörper und ermöglichen grundsätzlich keine Luftzirkulation innerhalb des Geräts. Die häufigste Wärmemanagementmethode in einem geschlossenen System ist ein Heatspreader oder eine Abschirmung, typischerweise aus Graphit, um entweder die verfügbare Oberfläche zur Verteilung der Wärme an Heißpunkten zu vergrößeren oder eine empfindliche Komponente zusammen mit einem Luftzwischenraum gegen eine Wärmequelle abzuschirmen.

Graphit ist aufgrund seiner geschichteten Molekülstruktur anisotrop, was bedeutet, dass es die Wärme in der Ebene viel schneller verteilt als durch die Ebene. Infolgedessen eliminiert Graphit Hot Spots sehr gut im Vergleich zu isotropen Materialien wie Metall, die Wärme gleichmäßig in alle Richtungen bewegen, wie in Abbildung 4 dargestellt.

Graphit hat zwei Hauptfunktionen:

Thermische Ausbreitung: Bei Kontakt mit einer Wärmequelle verteilt Graphit Wärme über seine Oberfläche, vergrößert die zur Wärmeableitung verfügbare Fläche und kühlt eine Wärmequelle ab.

Thermische Abschirmung: Wenn Graphit mit einem Luftspalt zwischen dem Graphit und der Wärmequelle ausgelegt ist, kann er die Wärme eines Hot Spots gleichmäßig verteilen und die Oberflächentemperatur der gegenüberliegenden Seite relativ zur Wärmequelle eines Geräts reduzieren.

Infolge der flächendeckenden Einführung der Mikroelektronik in allen Marktsegmenten, zusammen mit den steigenden Anforderungen an Funktionalität und Zuverlässigkeit, ist das Thermomanagement zu einem wichtigen Thema in fast allen Bereichen der Technologiewelt geworden, einschließlich professioneller und Unterhaltungselektroniksysteme sowie Automobilelektronik, Set-Top- / Home-Gateway-Boxen, LED-Lampen und medizinischer Geräte.

Aus Sicht des Wärmemanagements gibt es einen erheblichen Preis für die Erhöhung der Gerätefunktionalität. Die Betriebsfrequenz und die Anzahl der Gate des Geräts nehmen rapide zu und geben größere Mengen an Strom als Wärme ab. Die Ansammlung von übermäßiger Hitze ist eine Hauptursache für Ausfälle in elektronischen Systemen. Berichte der Elektronikindustrie zeigen, dass 55 % aller Ausfälle durch "Temperatur" verursacht werden, und empfehlen weiter, dass eine Senkung der Temperatur elektronischer Komponenten um 10 ° C im Durchschnitt die Lebensdauer eines Geräts verdoppeln könnte (siehe Arrhenius' Law of Chemical Activity in Illinois Capacitor Inc. Bericht über den Lebenszeitrechner).

Da die Erzeugung von Wärme für eine ineffiziente Nutzung von Energie steht, liegt es nahe, dass mehrere globale Initiativen zur Energieeinsparung und zum Energiemanagement, wie der Energy Star der Environmental Protection Agency (EPA), der Blaue Engel der Europäischen Union (EU) und die Advanced Configuration and Power Interface (ACPI) in der Computerindustrie, die thermische Leistung als Beispiel für die Energieeffizienz bewerten.

Da elektronische Geräte an Leistung gewonnen haben, haben die Verbraucher eine Medienberichterstattung über Geräte gesehen, die Feuer fangen und Theorien des thermischen Durchgehens diskutieren. Thermal Runaway ist eine Kette von zyklischen Reaktionen des Temperaturanstiegs, die aufeinander aufbauen und die Betriebstemperatur des Geräts auf ein kritisches Niveau erhöhen, was oft dazu führt, dass das Gerät aufgrund von Überhitzung heruntergefahren wird. In seltenen Fällen kann ein thermisches Durchgehen zu einer Zündung führen, aber bisher gibt es keine direkten Hinweise auf eine Überhitzung, die die Zündung elektronischer Geräte verursacht. In diesen Situationen gibt es möglicherweise keinen Ausfall des Wärmemanagementmechanismus, aber die Wahrnehmung der Verbraucher von Überhitzung des Geräts, die zu einer Entzündung führt, ist etwas, das wir minimieren, indem wir ein angemessenes Wärmemanagement in Geräten entwickeln.