Løsninger for varmeavledning for integrerte kort

Økt edge-prosessering (inngangspunktprosessering), ytelsesforbedringer og miniatyrisering av innebygde plattformer har ført til økt strømforbruk og varmeutvikling, noe som skaper punkter med høy varmeutvikling. Termisk stress kan forringe ytelsen til innebygde systemer betydelig og til og med føre til at hele systemet svikter. Langvarig eksponering for sterk varme reduserer også levetiden til elektroniske komponenter.

Det er avgjørende å forstå teknikker for varmeavledning / varmedistribusjon for å holde en enhet i optimal driftstilstand. Utviklingen i elektronikkindustrien har ført til et behov for innovative teknologier for varmeavledning for å forbedre systemenes pålitelighet og ytelse. Ifølge Market Research Future forventes det globale markedet for varmeavledning å nå 20,3 milliarder USD innen 2030, med en vekst på 8 prosent CAGR mellom 2022 og 2030.

Tilbehør for varmeavledning er avgjørende for en rekke elektroniske produkter, ikke bare FPGA-er, på grunn av varmen som genereres under drift. Riktig varmeavledning er avgjørende for å opprettholde ytelsen, påliteligheten og levetiden til disse enhetene. Her kan du lese mer om hvorfor tilbehør for varmeavledning er viktig for en rekke produkter:

1. Mikroprosessorer og CPU-er:

• Varmeutvikling: Prosessorer, spesielt i datamaskiner og servere med høy ytelse, genererer betydelig varme på grunn av intensive beregningsoppgaver.
• Tilbehør for varmeavledning: Kjøleribber, kjølepasta (termisk pasta) og kjølevifter er avgjørende for å lede bort varme, forhindre termisk struping og sikre stabil ytelse.

2. Grafikkprosesseringsenhetet (GPU-er):

• Høyt strømforbruk: GPU-er, spesielt innen spill, AI og databehandling, bruker mye strøm og produserer en betydelig mengde varme.
• Varmeavledning (varmedistribusjon): Kjøleløsninger som store kjøleribber, vifter og noen ganger væskekjøling er nødvendig for å opprettholde optimale temperaturer, forhindre overoppheting og opprettholde høy ytelse.

3. Strømforsyningsenheter (PSU-er):

• Varmeavledning: Strømforsyninger konverterer vekselstrøm til likestrøm, noe som medfører et betydelig energitap i form av varme.
• Kjøleløsninger: Aktiv kjøling med vifter og passiv kjøling med kjøleribber er avgjørende for å opprettholde virkningsgraden og levetiden til strømforsyninger.

4. Minnemoduler (RAM, DRAM):

• Driftsstabilitet: Høyhastighets minnemoduler kan generere varme, noe som kan føre til datakorrupsjon eller ustabilitet i systemet hvis det ikke kontrolleres.
• Tilbehør for varmeavledning: Varmespredere og kjølevifter brukes til å lede bort varme og opprettholde dataintegritet og hastighet.

5. Nettverksutstyr (rutere, switcher):

• Kontinuerlig drift: Nettverksutstyr er ofte i drift døgnet rundt, noe som fører til kontinuerlig varmeutvikling.
• Kjølingskrav: Kjøleribber, vifter og noen ganger miljøkjøling (som klimaanlegg i serverrom) er nødvendig for å sikre jevn ytelse og forhindre feil.

6. Integrerte systemer:

• Utfordringer med kompakte konstruksjoner: Innebygde systemer opererer ofte i trange omgivelser der varmeavledning er vanskelig.
• Kjølingsløsninger: Tilpassede kjøleribber, kjøleplater og spesialiserte kabinetter med kjøling brukes til å håndtere varmen i disse kompakte systemene, noe som sikrer pålitelighet i industri- og kjøretøyutrustninger.

7. Mobile enheter (smarttelefoner, nettbrett):

• Termiske begrensninger: Mobile enheter er kompakte og har begrenset plass til kjøling, men de har høyytelsesprosessorer og batterier som genererer varme.
• Innovativ kjøling: Teknikker som termisk struping, varmespredere av grafitt og avanserte materialer brukes for å håndtere varmen uten å øke størrelsen på enheten.

8. Batterier og strømlagring:

• Sikkerhet og lang levetid: Batterier, spesielt i elektriske kjøretøyer og lagringssystemer med høy kapasitet, genererer varme under lading og utlading.
• Varmeavledning (varmedistribusjon): Kjølesystemer, inkludert væskekjøling, varmestyringssystemer og varmebestandige materialer, er avgjørende for å forhindre overoppheting, noe som kan føre til redusert batterilevetid eller til og med farlige situasjoner.

9. Telekommunikasjonsutstyr:

• Kontinuerlig varmebelastning: Basestasjoner, antenner og annet telekomutstyr genererer konstant varme under drift.
• Kjølebehov: Kjøleribber, vifter og klimakontrollerte kabinetter er avgjørende for å opprettholde utstyrets pålitelighet og servicetilgjengelighet.

10. Databehandlingssystemer med høy ytelse / HPC-systemer (High-performance computing):

• Ekstrem varmeproduksjon: HPC-systemer, som brukes i vitenskapelig forskning, AI og stordataanalyse, involverer tette dataklynger som produserer betydelig varme.
• Avansert kjøling: Væskekjøling, nedsenkingskjøling og sofistikerte luftkjølingssystemer er avgjørende for å håndtere varmen og sikre uavbrutt høyhastighetsdrift.

Termisk tilbehør er uunnværlig i et bredt spekter av elektroniske produkter, ikke bare FPGA-er. De spiller en viktig rolle når det gjelder å lede bort varme, forhindre overoppheting og sørge for at enhetene fungerer pålitelig og med høy virkningsgrad. Uten riktig varmeavledning kan elektroniske produkter få redusert ytelse, bli ustabile og potensielt føre til katastrofale feil. Valget av termiske løsninger avhenger av produktets spesifikke krav, inkludert strømforbruk, størrelse og driftsmiljø.

Vanlige varmeavledningsteknikker i integrerte løsninger

I takt med at systemene blir stadig mindre og kraftigere, er varmeavledningsteknikker viktigere enn noensinne. Designere kan bruke flere metoder for å fjerne varme fra komponenter og kretskort, og vanlige mekanismer er blant annet:

Kjøleribber og kjølevifter – Kjøleribber er store, overflaterike, varmeledende metalldeler som fungerer som passive varmevekslere og avgir varme til den omgivende luften ved hjelp av varmeledning. Ved å montere kjølevifter på kjøleribbene kan varmen fjernes raskere og mer effektivt. Denne kombinasjonen er en av de vanligste og mest effektive metodene for kjøling av innebygde systemer, spesielt i miljøer med begrenset luftstrøm.

Figur 1: Denne kjøleribben med kjølevifte bidrar til å lede bort varmen fra komponenten(e) den er montert på. (Bildekilde: iWave)

Kjølerørintegrasjon – Kjølerør er kjøleinnretninger som brukes i utrustninger med høy temperatur. Et typisk kjølerør består av en væske som absorberer varme, fordamper og beveger seg langs røret. Ved kondensatoren blir dampen igjen til væske, og syklusen gjentas. Kjølerør er svært effektive og kan overføre varme over lange avstander, noe som gjør dem ideelle for kompakte elektroniske enheter med høy tetthet.

Varmespreder – Varmespredere har en stor flat overflate som vanligvis presses direkte mot en annen stor flat overflate. De gjør det mulig å overføre varme fra en mindre komponent til en større metalloverflate. Varmespredere er ideelle for enheter som må tåle ekstreme støt og vibrasjoner, eller som er plassert i forseglede beholdere. De er en robust løsning for varmestyring i robuste og forseglede innebygde systemer.

Thermoelektriske kjølere (TEC) – Thermoelektriske kjølere er ideelle for systemer der komponenttemperaturen må holdes konstant. Prosessorer med høy effektavledning bruker ofte en kombinasjon av TEC-er, luftkjøling og væskekjøling for å overskride de konvensjonelle grensene for luftkjøling. TEC-er kan kjøle ned komponenter til temperaturer under omgivelsestemperaturen, noe som gir presis temperaturkontroll.

Kjølebaner – Kjølebaner er inkorporert over kobberfylte områder og plassert i nærheten av strømkilder. Ved denne metoden strømmer varmen fra komponentene til kobberområdet og forsvinner gjennom luften fra gjennomføringer. Kjølebaner brukes ofte i strømstyringsmoduler og komponenter med kjøleplater, noe som forbedrer kretskortets varmeledningsevne.

Væskekjølingssystemer – Væsker kan overføre varme fire ganger raskere enn luft, noe som muliggjør høyere termisk ytelse i mindre løsninger. Et væskekjølingssystem omfatter en kjøleplate eller et avkjølt kabinett som grensesnitt mot varmekilden, en pumpe eller kompressor som sirkulerer væsken, og en varmeveksler som absorberer og avleder varmen på en sikker måte. Væskekjøling er spesielt effektivt for utrustninger med høy effekt og tettpakkede elektroniske enheter.

Kjølingsløsninger fra iWave

iWaves ekspertteam av mekaniske ingeniører designer kjøleribber, vifter og kabinetter som er skreddersydd til de spesifikke termiske egenskapene til produktene deres. De bruker programvare for termisk simulering for å hjelpe ingeniørene med å finne de mest hensiktsmessige kjølemetodene og forstå de tilhørende termiske parameterne, noe som til syvende og sist forbedrer den generelle produktpåliteligheten.

Analyse av varmestrømningsmønster

Ved hjelp av verktøy som Ansys Icepak kan iWave-ingeniørene simulere varmestrømningsmønstre i en enhet. Denne analysen bidrar til å identifisere termiske punkter med høy varmeutvikling og optimalisere plasseringen av kjølekomponenter. Ved å forstå hvordan varmen beveger seg gjennom et system, kan ingeniørene utforme mer effektive løsninger for varmeavledning.

Tilpasset design av kjøleribbe

iWave designer tilpassede kjøleribber som passer de unike behovene til hvert enkelt prosjekt. Designprosessen innebærer å beregne teoretiske varmeavledningsverdier basert på overflateareal og materialegenskaper. Ingeniørene tester deretter disse designene ved hjelp av simuleringsprogramvare for å sikre at de gir tilstrekkelig kjøling under ulike driftsforhold.

Kjølemetoder for aktive enheter

Aktive kjølemetoder, som integrering av TEC-er og kjølevifter, blir også vurdert i designfasen. iWave evaluerer fordelene og begrensningene ved hver metode, og velger den mest effektive og kostnadseffektive løsningen for hvert enkelt utrustning.

Kjølingsløsninger for alle formfaktorer

iWave tilbyr kjølingsløsninger for alle formfaktorer, inkludert OSM, SMARC, Qseven og SODIMM. Disse løsningene bruker aluminiumslegeringen AL6063 på grunn av dens utmerkede materialegenskaper. Aluminium er en ypperlig leder, giftfritt, resirkulerbart og svært slitesterkt, noe som gjør det ideelt for overføring av varme fra komponenter.

Ved hjelp av interne kjølingsløsninger kan produktdesignere redusere implementeringskostnadene ved å eliminere forsinkelser, feil i felten og produktgjentakelser. Ved å redusere mengden varme som slippes ut av enheten, forbedres virkningsgraden og påliteligheten, noe som sikrer produktets levetid.

Konklusjon

Den økende kompleksiteten og effekttettheten i innebygde systemer gjør det nødvendig med avanserte teknikker for varmeavledning. Ved å bruke en rekke ulike varmeavledningsmetoder, fra kjøleribber og kjølevifter til væskekjølingssystemer og kjølebaner, kan designere sikre optimal ytelse og pålitelighet for enhetene sine. Selskaper som iWave tilbyr spesialiserte kjølingsløsninger som er skreddersydd til de spesifikke behovene til produktene deres, ved hjelp av avanserte simuleringsverktøy og spesialtilpasset design for å møte utfordringene ved moderne elektronikk.

For mer informasjon om iWaves ekspertise innen kjølingsløsninger, kontakt dem direkte.