Jak zůstat chladným: základní pravidla výběru a používání chladičů

Neustále se zmenšující velikost většiny elektronických součástek, zvláště mikroprocesorů a mikrokontrolérů, vede k větší hustotě tepla. Důsledkem tohoto vývoje je, že návrh a správa tepla se staly při návrhu hlavním faktorem, protože životnost, spolehlivost a výkon jsou nepřímo úměrné provozní teplotě zařízení. Je proto na konstruktérech, aby dobře rozuměli efektivní správě tepla a dostupným řešením chladičů, aby tak dokázali udržet provozní teplotu zařízení v rámci limitů stanovených dodavatelem.

Chladiče fungují tak, že zvětšují plochu zařízení vystavenou chladivu (vzduchu). Při správné montáži snižují chladiče teplotu zařízení zlepšením přenosu tepla do chladnějšího okolního vzduchu přes hranici součástek a vzduchu.

V tomto článku je uveden přehled výběru chladičů a pokyny ke správnému návrhu a výběru součástek spolu s osvědčenými postupy k dosažení dokonalého chladicího výkonu. Jako praktické ukázky jsou použita řešení chladičů od společnosti Ohmite.

Tepelný obvod

Výkon se z aktivních přechodů tranzistoru v integrovaném obvodu (IC) ztrácí ve formě tepla a teplota přechodu přitom úměrně odpovídá ztrátě výkonu. Výrobci udávají maximální teplotu přechodu, která se obecně pohybuje kolem 150 °C. Překročení této teploty přechodu vede obecně k poškození zařízení, proto musí konstruktéři hledat způsoby, jak od integrovaného obvodu odsát co nejvíce tepla. Chtějí-li to provést, mohou se spolehnout na poněkud jednoduchý model měření toku tepla, podobný Ohmovu zákonu pro elektrické výpočty, založený na konceptu tepelného odporu a symbolizovaný značkou θ (obrázek 1).

Obrázek 1: Model tepelného obvodu pro integrovaný obvod s chladičem založený na konceptu tepelného odporu symbolizovaného značkou θ. (Zdroj obrázku: společnost DigiKey)

Tepelný odpor je odpor, který překonává teplo při toku z jednoho média do druhého. Měří se v jednotkách stupňů Celsia na W (°C/W) a je definován jako:

 Rovnice 1

Kde:

θ je tepelný odpor přes tepelnou bariéru ve °C/W.

∆T je rozdíl teploty přes tepelnou bariéru ve °C.

P je ztráta výkonu v přechodu ve wattech.

Při hledání fyzického uspořádání integrovaného obvodu a chladiče existuje řada tepelných rozhraní. První je mezi přechodem a pouzdrem integrovaného obvodu, což je modelováno tepelným odporem θ_jc.

Chladič je k integrovanému obvodu připojený pomocí teplovodivého materiálu (TIM) – buď teplovodivé pasty, nebo teplovodivé pásky, aby se vylepšila tepelná vodivost mezi dvěma zařízeními. Tato vrstva má obvykle nízký odpor a je modelována jako součást tepelného odporu mezi pouzdrem a chladičem θ_cs. Závěrečnou fází je rozhraní chladiče a okolního prostředí θ_sa.

Tepelné odpory se přidávají v sérii stejně jako rezistory v elektronickém obvodu. Výsledkem sumy všech tepelných odporů je celkový tepelný odpor z přechodu do okolního vzduchu.

Tepelný odpor mezi přechodem a pouzdrem je obecně udáván, implicitně či explicitně, dodavatelem integrovaného obvodu. Údaj může mít formu maximální teploty pouzdra, čímž se eliminuje jeden z prvků tepelného odporu. Konstruktér používající integrovaný obvod nemá žádnou kontrolu nad charakteristikou tepelného odporu mezi přechodem a pouzdrem. K udržení teploty přechodu pod uvedeným maximem si však konstruktér může vybrat teplovodivý materiál a charakteristiku chladiče potřebnou k dostatečnému chlazení integrovaného obvodu. Obecně platí, že čím menší je tepelný odpor teplovodivého materiálu a chladiče, tím nižší je teplota pouzdra chlazeného integrovaného obvodu.

Příklad výběru chladiče

Společnost Ohmite nabízí chladiče řady BG určené k fungování s poli BGA („ball grid array “) nebo PGBA („plastic ball grid array“) centrálních procesorových jednotek (CPU), grafických výpočetních jednotek (GPU) nebo podobných procesorů s hranatým půdorysem balení (obrázek 2).

Obrázek 2: Řada chladičů BG je vhodná pro integrované obvody v provedení BGA, včetně CPU, GPU a dalších procesorů s hranatým půdorysem balení. (Zdroj obrázku: společnost Ohmite)

Řada nabízí deset modelů chladičů s půdorysy odpovídajícími běžným konfiguracím integrovaného obvodu od 15 × 15 mm po 45 × 45 mm a plochou žeber od 2 060 do 10 893 mm² (tabulka 1). Tyto chladiče vyhovující směrnici RoHS jsou vyrobeny z černé anodizované hliníkové slitiny 6063-T5.

Tabulka 1: Řada BG s plochou žeber od 2 060 do 20 893 mm². (Zdroj obrázku: společnost DigiKey)

Hodnoty tepelného odporu v tabulce se vztahují k chlazení přirozeným prouděním vzduchu. Při nuceném proudění vzduchu pomocí ventilátoru se tepelný odpor úměrně snižuje s rychlostí chladicího vzduchu. Chlazení nuceným prouděním vzduchu může snížit tepelný odpor z faktoru dva nebo tři na jeden (obrázek 3).

Obrázek 3: Tepelný výkon chladičů řady BG společnosti Ohmite při chlazení nuceným prouděním vzduchu. (Zdroj obrázku: společnost Ohmite)

Teplovodivé materiály

V případě řady BG společnosti Ohmite je teplovodivým materiálem použitým mezi pouzdrem integrovaného obvodu a chladičem oboustranná teplovodivá páska, která se dodává spolu s chladičem. Použití oboustranné pásky zjednodušuje montáž, protože páska nevyžaduje žádnou mechanickou konstrukci ani vyhotovení.

Teplovodivé materiály jsou obvykle udávány svou tepelnou vodivostí v jednotkách wattů na metr-° Celsia (W/(m°C)) nebo wattů na metr-° Kelvina (W/(m°K)). Tepelný odpor vrstvy teplovodivého materiálu závisí na tloušťce pásky a plochy, na kterou se aplikuje. Tepelný odpor lze vypočítat podle rovnice:

 Rovnice 2

Kde:

Tloušťka je vyjádřena v metrech (m).

Plocha je vyjádřena v metrech čtverečných (m²).

Tepelná vodivost je vyjádřena buď ve W/(m°C), nebo W/(m°K).

Jednotky stupňů Celsia a Kelvina jsou zaměnitelné, protože oboje pracují se stejným přírůstkem měření teploty a právě s rozdílem teplot se počítá (např. změna teploty o 10 °C je stejná jako změna teploty o 10 °K).

Zjistíme, že například u chladiče BGAH150-075E společnosti Ohmite s rozměry 15 × 15 × 7,5 mm (připevněného k zařízení 15 × 15 mm) je plocha teplovodivého materiálu 225 mm² (225 E⁻⁶ m²). Tloušťka dodané teplovodivé pásky je 0,009 palce nebo 0,23 mm (0,000 23 m). Uvedená tepelná vodivost je 1,4 W/(m°K). Zadáním těchto hodnot do rovnice 2 získáme výpočet:

 Rovnice 3

Tepelný odpor teplovodivého materiálu bude obecně mnohem menší než odpor chladiče a u chladičů s větší plochou půdorysu se bude zmenšovat.

Příklad určení minimálního tepelného odporu požadovaného v chladiči, aby byl integrovaný obvod udržen v rámci svých teplotních limitů, začíná u integrovaného obvodu. Vezměme v úvahu integrovaný obvod 15 × 15 mm s uvedenou maximální teplotou pouzdra 85 °C, který má při normálním provozu ztrátu 2 W – při fungování v krytu s okolní teplotou 45 °C.

Určení výkonových ztrát procesoru může být vzhledem k širokému rozsahu provozních režimů obtížné. Někteří výrobci se to proto snaží zjednodušit uváděním tepelného výkonu procesoru (TDP). Hodnota TDP je ztráta výkonu při spuštění v „reálné aplikaci“. Ohledně vhodnosti tohoto jmenovitého údaje probíhá diskuze, protože je závislý na aplikaci. Maximální výkonovou ztrátu lze také určit uvedením požadavků na napájecí proud pro jednotlivá napájecí napětí CPU. Tato hodnota může být vyšší než ztráta popsaná hodnotou TDP. Chtějí-li konstruktéři co nejlépe vyhodnotit jmenovitou výkonovou ztrátu integrovaného obvodu, měli by nahlédnout do technických údajů dodavatele.

Vrátíme-li se k příkladu, minimální tepelný odpor (θ) požadovaného chladiče a teplovodivého materiálu může být stanoven pomocí rovnice 4:

 Rovnice 4

Model BGAH150-075E společnosti Ohmite má tepelný odpor 18 °C/W, přidaný odpor teplovodivého materiálu je 0,73 °C/W a celkově se tedy jedná o 18,73 °C/W. Jde tedy o nižší hodnotu, než je vypočtený minimální tepelný odpor a bude to fungovat. Vyberete-li tento chladič a provedeme-li zpětný výpočet pomocí rovnice 1 za předpokladu, že okolní teplota je konstantní, byla by odhadované maximální teplota pouzdra 82,5 °C.

Při výběru alternativního chladiče BGAH150-125E společnosti Ohmite s rozměry 15 × 15 × 12,5 mm s větší plochou povrchu díky větší výšce žeber se celkový tepelný odpor chladiče a teplovodivého materiálu sníží na 11 °C/W. Teplota pouzdra by se při přibližně stejných nákladech snížila na zhruba 67 °C a byla by zajištěna větší rezerva teploty.

Dalšími faktory ke zvážení může být místo dostupné pro chladič nebo možná potřeba chladicího ventilátoru.

Závěr

Z tepelného hlediska je výběr chladiče poměrně jednoduchá záležitost. Jak jsme si ukázali, řada BG společnosti Ohmite nabízí možné řešení problémů s chlazením u integrovaných obvodů v provedení BGA.