Nowe strategie chłodzenia rozwiązują wyzwania termiczne elektroniki

Ponieważ urządzenia elektroniczne muszą stawić czoła coraz bardziej rygorystycznym wyzwaniom związanym z zarządzaniem cieplą, tradycyjne rozwiązania chłodzące okazują się niewystarczające.Krytyczne pytanie o to, jak przełamać wąskie gardła termiczne w celu zwiększenia wydajności i niezawodności urządzenia, stało się centralnym celem zarówno inżynierów elektroniki, jak i naukowców zajmujących się materiałamiW niniejszym artykule analizowane są kluczowe czynniki wpływające na rozpraszanie ciepła w urządzeniach elektronicznych, ze szczególnym uwzględnieniem przewodności cieplnej,i bada strategie optymalizacji z wielu perspektyw, w tym wyboru materiałów, projektowania konstrukcyjnego i zastosowań technologii najnowocześniejszych.

Przewodność cieplna, podstawowa właściwość fizyczna mierząca zdolność materiału do przenoszenia energii cieplnej,jest zdefiniowana jako ilość ciepła przenoszonej na jednostkę czasu na powierzchni jednostkowej z gradientem temperatury jednostkowejW zastosowaniach chłodzenia elektronicznego przewodność cieplna stanowi decydujący czynnik efektywności rozpraszania ciepła.Materiały o wysokiej przewodności cieplnej mogą szybko przenosić ciepło ze źródeł (takich jak chipy) do pochłaniaczy ciepła lub innych środków chłodzących, zmniejszając tym samym temperaturę układu i zapewniając stabilną pracę urządzenia.

Przewodność cieplna jest zazwyczaj oznaczana symbolem k z jednostkami W/mK (waty na metr-kelwin) lub Btu/hr-ft-°F (brytyjskie jednostki cieplne na godzinę-stopę-Fahrenheit).wytwarzanie ciepła występuje w różnych komponentachPodczas pracy prąd przechodzący przez rezystancję generuje ogrzewanie Joule'a, powodując wzrost temperatury.Temperatury komponentów nadal rosną, co może prowadzić do pogorszenia wydajności, skrócenia żywotności lub nawet katastrofalnej awarii.

Chłodzenie urządzeń elektronicznych obejmuje złożone procesy, w których ciepło zazwyczaj przenosi się ze źródeł do środowiska zewnętrznego poprzez wiele etapów.Zrozumienie tych dróg przewodzenia umożliwia bardziej ukierunkowaną optymalizację cieplną:

• Przeniesienie ciepła na poziomie chipa:Ciepło początkowo generuje się w układzie i przechodzi przez materiały układu (zwykle krzemowe) do powierzchni.Przewodność cieplna materiałów chipowych bezpośrednio wpływa na rozkład temperatury wewnętrznej.
• Interfejs odcinka do zlewu ciepła:Przekazywanie ciepła między powierzchniami chipów a elementami chłodzącymi (chłodniki cieplne, rury cieplne) napotyka na odporność termiczną między powierzchniami z powodu niedoskonałego kontaktu i szczelin powietrza.Materiały interfejsu termicznego (TIM) takie jak tłuszcz termiczny lub podkładki są powszechnie stosowane w celu złagodzenia tej odporności.
• Przewodnictwo wewnętrzne zlewu ciepła:Przekazywanie ciepła przez konstrukcje chłodników ciepła i wymiana ciepła z otoczeniem poprzez powierzchnie.i metody chłodzenia (naturalna konwekcja, powietrze przymusowe, chłodzenie płynem) wspólnie określają efektywność chłodzenia.
• Interfejs pomiaru ciepła pomiędzy pochłaniaczami ciepła a środowiskiem:Ostateczny transfer ciepła odbywa się z powierzchni pochłaniacza ciepła do otaczających środowisk, w których temperatura otoczenia i warunki przepływu powietrza wpływają na wydajność.

Każda droga przewodzenia przyczynia się do oporu termicznego, który razem tworzy całkowity opór systemu.Zmniejszenie oporu cieplnego jest głównym celem projektowania chłodzenia elektronicznego.

Przewodność cieplna różni się w zależności od wielu czynników, które wpływają na wybór materiału i optymalizację konstrukcji chłodzenia:

• Rodzaj materiału:Metali zazwyczaj wykazują wysoką przewodność cieplną, natomiast inne metale (plastiki, ceramika) wykazują niższe wartości.aluminium (237 W/mK), krzemu (148 W/mK), szkła (1, 0 W/mK), tworzyw sztucznych (0, 1- 0, 5 W/mK) i powietrza (0, 026 W/mK).
• Efekty temperatury:W przypadku metali przewodność zazwyczaj maleje wraz ze wzrostem temperatury z powodu zwiększonego rozpraszania elektronów.Materiały niemetalowe wykazują bardziej złożone zależności temperatury w oparciu o mikrostrukturę i właściwości transportu fononów.
• Czystość materiału i wady:Materiały o wyższej czystości o mniejszej liczbie wad wykazują większą przewodność, ponieważ zanieczyszczenia i wady rozpraszają nośniki ciepła (elektronów lub fononów), zmniejszając średnie wolne ścieżki.
• Struktura krystaliczna:Materiały krystaliczne wykazują przewodność anisotropową z różnicami kierunkowymi.

Dokładne pomiary przewodności cieplnej są niezbędne do projektowania chłodzenia.

• Metody w stanie stałym:Stosowanie różnic temperatury stałej w materiałach i pomiar strumienia ciepła i gradientów temperatury w równowadze, odpowiednie dla materiałów o wysokiej przewodności, takich jak metale.
• Metody przejściowe:Stosowanie impulsów cieplnych i pomiar reakcji temperatury czasowej, skuteczne dla materiałów o niskiej przewodności, takich jak tworzywa sztuczne i ceramika.
• Analiza błysku laserowego:Główną metodą przejściową wykorzystującą impulsy laserowe do ogrzewania powierzchni podczas pomiaru reakcji temperatury tylnej powierzchni w celu obliczenia rozproszenia cieplnego i przewodności.
• 3ω metoda:Technika zmiennotrwałego prądu zmierzająca reakcje napięcia na prądy zmienne, szczególnie odpowiednia do pomiaru przewodności cienkich folii.

Skuteczne chłodzenie elektroniczne wymaga wieloaspektowej optymalizacji przewodności cieplnej:

• Wybór materiału o wysokiej przewodności:Priorytetowe wykorzystanie materiałów o wyższej przewodności w systemach chłodzenia, w tym metalowych chłodników ciepła i wysokiej wydajności TIM.
• Optymalizacja interfejsu:Minimalizowanie oporu powierzchniowego poprzez wykończenie powierzchni, regulację ciśnienia kontaktowego i wdrożenie TIM.
• Wzmocnienie konstrukcji zlewu ciepła:Zwiększenie powierzchni, optymalizacja geometrii płetw i włączenie zaawansowanych elementów transferu ciepła, takich jak rury ciepła i komory parowe.
• Zaawansowane technologie chłodzenia:Wdrażanie systemów chłodzenia płynów, systemów zmiany fazy, chłodzenia termoelektrycznego i rozwiązań mikrokanałowych do zastosowań o dużej mocy.
• Integracja nanomateriałów:Włączenie nanorurek węglowych, grafenu lub nanopłynów w celu zwiększenia wydajności termicznej.

Ciągłe innowacje w zakresie chłodzenia elektronicznego obejmują kilka obiecujących osiągnięć:

• Trójwymiarowe układy chłodzące zintegrowane z chipami
• Adaptacyjne systemy chłodzenia odpowiadające warunkom eksploatacji
• Strategie zarządzania cieplnym zoptymalizowane z wykorzystaniem sztucznej inteligencji
• Materiały o wysokiej przewodności nowej generacji
• Technologie pozyskiwania energii cieplnej

Smartfony stanowią wyjątkowe wyzwania w zakresie chłodzenia ze względu na kompaktowe wymiary i wysoką gęstość komponentów.

• Komory parowe do rozprzestrzeniania ciepła
• Żele termiczne do zmniejszania oporu interfejsu
• Filmy grafitowe do zwiększenia rozpraszania
• Systemy chłodzenia płynami w modelach premium

Przewodność cieplna pozostaje podstawą projektowania chłodzenia elektronicznego.Inżynierowie mogą skutecznie zarządzać wyzwaniami termicznymi w celu zapewnienia niezawodności i wydajności urządzeniaPonieważ gęstość mocy stale rośnie, ciągłe innowacje w zakresie technologii i materiałów chłodzących będą niezbędne do spełnienia przyszłych wymagań w zakresie zarządzania cieplnym.