วิธีการรักษาความเย็น: พื้นฐานของการเลือกและการใช้งานแผงระบายความร้อน

การลดขนาดชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่อย่างต่อเนื่องโดยเฉพาะไมโครโปรเซสเซอร์และไมโครคอนโทรลเลอร์ส่งผลให้ความหนาแน่นของความร้อนเพิ่มขึ้น ผลที่ตามมาของวิวัฒนาการนี้คือการออกแบบและการจัดการระบายความร้อนได้กลายเป็นประเด็นสำคัญในการออกแบบเนื่องจากอายุการใช้งานความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพมีความสัมพันธ์ในทางตรงกันข้ามกับอุณหภูมิในการทำงานของอุปกรณ์ ดังนั้นนักออกแบบจึงต้องมีความเข้าใจอย่างชัดเจนเกี่ยวกับการจัดการความร้อนที่มีประสิทธิภาพและโซลูชันแผงระบายความร้อนที่มีอยู่เพื่อรักษาอุณหภูมิในการทำงานของอุปกรณ์ให้อยู่ในขอบเขตที่กำหนดโดยซัพพลายเออร์

แผงระบายความร้อนทำงานโดยการเพิ่มพื้นที่ผิวของอุปกรณ์ที่สัมผัสกับสารหล่อเย็น (อากาศ) เมื่อติดตั้งอย่างถูกต้องแผงระบายความร้อนจะลดอุณหภูมิของอุปกรณ์โดยปรับปรุงการถ่ายเทความร้อนไปยังอากาศแวดล้อมที่เย็นกว่าในขอบเขตของแข็งกับอากาศ

บทความนี้แสดงภาพรวมของการเลือกแผงระบายความร้อนและให้คำแนะนำเกี่ยวกับการออกแบบที่เหมาะสมการเลือกส่วนประกอบและแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพการระบายความร้อนที่ดีเยี่ยม โซลูชั่นแผงระบายความร้อนจาก Ohmite จะใช้เป็นตัวอย่างในทางปฏิบัติ

วงจรความร้อน

กำลังจะกระจายออกจากจุดต่อทรานซิสเตอร์ที่ใช้งานอยู่ภายในวงจรรวม (IC) ในรูปแบบของความร้อนโดยอุณหภูมิของจุดต่อจะแปรผันตามกำลังที่กระจาย ผู้ผลิตระบุอุณหภูมิการเชื่อมสูงสุดแม้ว่าโดยทั่วไปจะอยู่ที่ประมาณ 150°C โดยทั่วไปอุณหภูมิที่เกินกว่าจุดเชื่อมต่อนี้จะส่งผลให้เกิดความเสียหายต่ออุปกรณ์ดังนั้นนักออกแบบจึงต้องหาวิธีดึงความร้อนออกจาก IC ให้ได้มากที่สุด ในการทำเช่นนั้นพวกเขาสามารถพึ่งพาแบบจำลองที่ค่อนข้างง่ายในการวัดการไหลของความร้อนซึ่งคล้ายกับกฎของโอห์มสำหรับการคำนวณทางไฟฟ้าโดยอาศัยแนวคิดของความต้านทานความร้อนซึ่งมีสัญลักษณ์โดย θ (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: แบบจำลองวงจรความร้อนสำหรับ IC ที่มีตัวระบายความร้อนตามแนวคิดของความต้านทานความร้อนที่เป็นสัญลักษณ์โดย θ (แหล่งรูปภาพ: DigiKey)

ความต้านทานความร้อนคือความต้านทานที่ความร้อนพบเมื่อไหลจากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลางหนึ่ง วัดเป็นหน่วยองศาเซนติเกรดต่อวัตต์ (°C/watt) และกำหนดเป็น:

สมการที่ 1

ที่ไหน:

Θคือความต้านทานความร้อนของแผงกั้นความร้อนในหน่วย °C/watt.

∆T คือความแตกต่างของอุณหภูมิในแผงกั้นความร้อนในหน่วย °C

P คือกำลังไฟฟ้าที่กระจายไปในทางแยกในหน่วยวัตต์

เมื่อพิจารณาถึงการจัดเรียงทางกายภาพของ IC และชุดระบายความร้อนมีอินเตอร์เฟสระบายความร้อนจำนวนมาก ประการแรกคือระหว่างทางแยกและกรณีของ IC ซึ่งจำลองโดยความต้านทานความร้อนθ_jc.

แผ่นระบายความร้อนติดอยู่กับ IC โดยใช้วัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อน (TIM) ไม่ว่าจะเป็นแผ่นระบายความร้อนหรือเทปกันความร้อนเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการนำความร้อนระหว่างอุปกรณ์ทั้งสอง ชั้นนี้ซึ่งโดยทั่วไปมีความต้านทานต่ำถูกจำลองขึ้นโดยเป็นส่วนหนึ่งของความต้านทานความร้อนแบบตัวพิมพ์ต่อตัวระบายความร้อนθ_cs ขั้นตอนสุดท้ายคืออินเทอร์เฟซของตัวระบายความร้อนกับสภาพแวดล้อมโดยรอบθ_sa.

ความต้านทานความร้อนจะถูกเพิ่มเป็นอนุกรมเช่นเดียวกับตัวต้านทานในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ผลรวมของความต้านทานความร้อนทั้งหมดให้ค่าความต้านทานความร้อนทั้งหมดจากทางแยกไปยังอากาศแวดล้อม

โดยทั่วไปความต้านทานความร้อนจากการแยกต่อเคสจะถูกระบุโดยผู้จัดหา IC ไม่ว่าโดยปริยายหรือโดยชัดแจ้ง ข้อมูลจำเพาะอาจอยู่ในรูปของอุณหภูมิเคสสูงสุดโดยไม่ต้องมีองค์ประกอบต้านทานความร้อนตัวใดตัวหนึ่ง ผู้ออกแบบที่ใช้ IC ไม่สามารถควบคุมลักษณะการต้านทานความร้อนจากทางแยกต่อเคสได้ อย่างไรก็ตามผู้ออกแบบเลือกที่จะเลือก TIM และลักษณะการระบายความร้อนที่จำเป็นในการทำให้ IC เย็นลงอย่างไม่เพียงพอ โดยทั่วไปยิ่งความต้านทานความร้อนของ TIM และตัวระบายความร้อนต่ำลงเท่าไหร่อุณหภูมิเคสของ IC ก็จะยิ่งลดลงเท่านั้น

ตัวอย่างการเลือกแผงระบายความร้อน

Ohmite นำเสนอไฟล์ BG Series ของแผงระบายความร้อนที่ออกแบบมาเพื่อการทำงานร่วมกับ ball grid array (BGA) หรือกว้างผลกลาง (ซีพียู) ball grid array (PGBA) กริดผล (GPU) หรือที่คล้ายกัน (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: ชุดระบายความร้อน BG Series เหมาะกับ IC แบบแพ็กเกจ BGA รวมถึงซีพียู GPU และอื่น ๆ ที่มีขนาดสี่เหลี่ยมจัตุรัสใกล้เคียงกัน (แหล่งรูปภาพ: Ohmite)

มีการออกแบบแผงระบายความร้อนสิบแบบในบรรทัดโดยมีรอยเท้าที่ตรงกับการกำหนดค่า IC ทั่วไปตั้งแต่ 15 x 15 millimeters (mm) ถึง 45 x 45 mm, และพื้นที่ครีบตั้งแต่ 2,060 ถึง 10,893 mm² (ตารางที่ 1) แผงระบายความร้อนที่เป็นไปตามข้อกำหนด RoHS เหล่านี้ทำจากอลูมิเนียมอัลลอยด์ 6063-T5 ที่ทำจากอะโนไดซ์สีดำ

ตารางที่ 1: BG Series มีพื้นที่ครีบตั้งแต่ 2,060 ถึง 20,893 mm² (ที่มาของตาราง: DigiKey)

ค่าความต้านทานความร้อนในตารางมีไว้สำหรับการพาความเย็นตามธรรมชาติ การพาความร้อนโดยใช้พัดลมช่วยลดความต้านทานความร้อนตามสัดส่วนกับความเร็วของอากาศเย็น การระบายความร้อนด้วยอากาศบังคับสามารถลดความต้านทานความร้อนได้สองหรือสามต่อหนึ่ง (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: ประสิทธิภาพการระบายความร้อนของชุดระบายความร้อน Ohmite BG Series สำหรับการระบายความร้อนด้วยอากาศบังคับ (แหล่งรูปภาพ: Ohmite)

วัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อน

ในกรณีของ Ohmite BG Series วัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อนที่ใช้ระหว่างกล่อง IC และแผ่นระบายความร้อนจะเป็นเทปความร้อนสองด้านซึ่งมาพร้อมกับแผ่นระบายความร้อน การใช้เทปสองหน้าช่วยลดความยุ่งยากในการติดตั้งเนื่องจากเทปไม่จำเป็นต้องมีการออกแบบเชิงกลหรือการประดิษฐ์ใด ๆ

TIM มักจะระบุโดยการนำความร้อนเป็น watts per meter-Celsius (watt/(m°C)) หรือ watts per meter-Kelvin (watts/(m°K)) ความต้านทานความร้อนของชั้น TIM ขึ้นอยู่กับความหนาของเทปและพื้นที่ที่ใช้ ความต้านทานความร้อนสามารถคำนวณได้โดยใช้สมการ:

 สมการ 2

ที่ไหน:

ความหนาแสดงเป็นเมตร (m)

พื้นที่แสดงเป็นเมตรกำลังสอง (m²)

การนำความร้อนแสดงเป็น watts/(m°C) or watts/(m°K)

เซลเซียสและเคลวินสามารถถอดเปลี่ยนได้เนื่องจากทั้งสองใช้การวัดอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นของหน่วยเดียวกันและเป็นความแตกต่างของอุณหภูมิที่กำลังคำนวณ (เช่นการเปลี่ยนแปลง 10°C ของอุณหภูมิจะเทียบเท่ากับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ 10°K)

มาดูกันที่ Ohmite BGAH150-075E แผงระบายความร้อน 15 x 15 x 7.5 mm (ติดกับอุปกรณ์ 15 x 15 mm) พื้นที่ของ TIM คือ 225 mm² (225 E^-6 m²) ความหนาของเทปกันความร้อนที่ให้มาคือ 0.009 inches หรือ 0.23 mm (0.00023 m) การนำความร้อนที่ระบุคือ 1.4 watts/(m°K) การใช้ค่าเหล่านี้ในสมการ 2 ให้ผล:

 สมการ 3

โดยทั่วไปความต้านทานความร้อนของ TIM จะน้อยกว่าแผ่นระบายความร้อนมากและจะลดขนาดลงสำหรับแผ่นระบายความร้อนที่มีพื้นที่ขนาดใหญ่กว่า

ตัวอย่างของการกำหนดค่าความต้านทานความร้อนขั้นต่ำที่จำเป็นในแผงระบายความร้อนเพื่อให้ IC อยู่ภายในขีด จำกัด อุณหภูมิเริ่มต้นด้วย IC พิจารณา IC ขนาด 15 x 15 mm ที่มีอุณหภูมิเคสสูงสุดที่กำหนดไว้ที่ 85°C ซึ่งในการทำงานปกติจะกระจาย 2 watts, ทำงานในตู้ที่มีอุณหภูมิแวดล้อม 45°C

การกำหนดการกระจายพลังงานสำหรับโปรเซสเซอร์อาจเป็นเรื่องยากเนื่องจากมีโหมดการทำงานที่หลากหลาย ผู้ผลิตบางรายพยายามทำให้สิ่งนี้ง่ายขึ้นโดยระบุกำลังการออกแบบการระบายความร้อนหรือ TDP TDP คือพลังที่กระจายออกไปเมื่อเรียกใช้“ แอปพลิเคชันจริง” มีการอภิปรายเกี่ยวกับความเหมาะสมของการให้คะแนนนี้เนื่องจากขึ้นอยู่กับแอปพลิเคชัน นอกจากนี้ยังสามารถระบุการกระจายพลังงานสูงสุดได้โดยอ้างอิงข้อกำหนดปัจจุบันของแหล่งจ่ายไฟสำหรับแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟของ CPU แต่ละตัว ค่านี้อาจสูงกว่าการกระจายที่อธิบายโดย TDP นักออกแบบควรปรึกษาข้อมูลทางเทคนิคของซัพพลายเออร์เพื่อกำหนดค่าประมาณที่ดีที่สุดของการกระจายพลังงานที่ระบุของ IC

กลับไปที่ตัวอย่างความต้านทานความร้อนขั้นต่ำ (θ) ของฮีทซิงค์และ TIM ที่ต้องการสามารถกำหนดได้โดยใช้สมการ 4:

 สมการที่ 4

Ohmite BGAH150-075E มีความต้านทานความร้อน 18°C/watt; ด้วยความต้านทานเพิ่มเติมของ TIM 0.73°C/watt, รวม 18.73 °C/watt, ซึ่งต่ำกว่าค่าความต้านทานความร้อนขั้นต่ำที่คำนวณได้และจะทำงานได้ หากตัวระบายความร้อนนี้ถูกเลือกโดยอาศัยการคำนวณย้อนกลับโดยใช้สมการ 1 ที่มีอุณหภูมิแวดล้อมคงที่อุณหภูมิเคสสูงสุดโดยประมาณจะเป็น 82.5°C

ในฐานะตัวระบายความร้อนทางเลือกให้เลือกโอห์มขนาด 15 x 15 x 12.5 mm BGAH150-125E ด้วยพื้นที่ผิวที่มากขึ้นเนื่องจากความสูงของครีบที่มากขึ้นช่วยลดความต้านทานความร้อนรวมของแผ่นระบายความร้อนและ TIM ลงเหลือ 11°C/watt สิ่งนี้จะลดอุณหภูมิของเคสลงเหลือประมาณ 67°C โดยมีค่าใช้จ่ายเท่ากันและให้ขอบอุณหภูมิที่มากขึ้น

ข้อควรพิจารณาอื่น ๆ ได้แก่ พื้นที่ว่างสำหรับตัวระบายความร้อนหรือความต้องการพัดลมระบายความร้อนที่เป็นไปได้

สรุป

การเลือกตัวระบายความร้อนนั้นค่อนข้างตรงไปตรงมาจากมุมมองการระบายความร้อน ดังที่แสดงไว้แผงระบายความร้อนของ Ohmite BG Series นำเสนอวิธีแก้ปัญหาการระบายความร้อนบน IC ที่บรรจุ BGA