Inleiding:

Alle apparaten werken door warmte op te wekken als bijproduct. Om te voorkomen dat deze apparaten oververhit raken, is thermisch beheer vereist. De efficiëntie van een apparaat is omgekeerd evenredig met de temperatuur. Vervolgens genereren hoogwaardige componenten warmte die de levensduur van het apparaat en de efficiëntie kan verminderen. Daarom moeten we de temperatuur onder controle houden door de gegenereerde warmte van deze apparaten te verwijderen.

In de loop van de tijd zijn onze apparaten kleiner geworden, maar met meer functionaliteit. Dit leidde tot een snellere verwerking en als gevolg daarvan meer warmteontwikkeling met een hoger stroomverbruik. Evenzo zijn de werktuigen ook geminiaturiseerd om warmte te verspreiden en kunnen ze een uitdaging worden voor ingenieurs. Over het algemeen moet de warmtedissipatie evenredig zijn met de vermogensdissipatie, volgens de vermogensvergelijking. De drie belangrijkste problemen waarmee ingenieurs worden geconfronteerd bij het beheren van vermogensdissipatie zijn de dichte PCB's, de verhoogde dichtheid van IC-chips en de afmetingen en mobiliteit van apparaten.

Sommige componenten produceren weinig warmte, terwijl andere apparaten relatief veel warmte produceren. Daarom moeten maatregelen worden genomen om de levensduur en betrouwbaarheid te verlengen. Gewoonlijk zullen geïsoleerde elektrische componenten die warmte produceren dit doen totdat de warmte die in het apparaat wordt geproduceerd gelijk wordt aan de warmte die verloren gaat aan de omgeving en het apparaat een evenwicht bereikt. Warmte wordt meestal gegenereerd als gevolg van weerstand tegen de stroom van elektronen in het materiaal. Verlaag de weerstand, groter is de geleidbaarheid en er wordt minder warmte gegenereerd. Dit wordt bewezen door de wet van Joule H=I2Rt.

Thermisch beheer in apparaten:

Warmtebeheersing is een belangrijk onderdeel van het elektronische ontwerp. Om de efficiëntie en nauwkeurigheid van componenten en systeemhotspots te garanderen, moet overtollige warmte daarvan weg worden getransporteerd. Ingenieurs kunnen intelligent thermisch ontwerp gebruiken om warmtegerelateerde fouten te verminderen. Er zijn drie strikte drijvende krachten die eisen stellen aan materialen voor thermisch beheer.

Ten eerste hebben ontwerpers, om de snelheid te verbeteren, de kern van de microprocessors gecomprimeerd tot kleinere afmetingen. Dit geeft ons hogere warmtegeneraties per oppervlakte-eenheid. Hierdoor wordt de temperatuurdaling veroorzaakt door geleiding binnen de microprocessor en warmteverspreider vergelijkbaar met de maximaal toegestane temperatuurdaling. Ten tweede is er een toename van de temperatuurstijging over de onderlinge verbinding tussen transistoren. Dit komt door de toename van metaallagen en toenemende stroomdichtheden tussen verbindingen. Ten derde is er een toename van de temperatuurstijging binnen hedendaagse en geplande transistortechnologieën. Een afname van de kanaalafmetingen leidt tot een verhoogde vermogensdichtheid en een niet-elektron-fonon-evenwicht binnen apparaten. Deze vormen een uitdaging voor onderzoek in materiaal- en vastestoffysica.

Koeling van elektronica:

Volgens de afkoelingswet van Newton is de snelheid van warmteverlies evenredig met het temperatuurverschil tussen het lichaam en zijn omgeving. Naarmate de lichaamstemperatuur stijgt, neemt ook het warmteverlies toe. Wanneer de snelheid van warmteverlies in evenwicht is met de snelheid van de geproduceerde warmte, bereikt het apparaat zijn evenwichtstemperatuur. Deze temperatuur kan de levensduur van componenten verkorten en er moeten bepaalde maatregelen worden genomen voor het thermisch beheer.

Een manier om de temperatuur in circuits of apparaten te regelen, is door de luchtstroom door ventilatie te vergroten. Dit resulteert in lagere bedrijfstemperaturen. Houd er ook rekening mee dat een verminderde atmosferische dichtheid op grotere hoogte resulteert in een minder effectieve warmteoverdracht naar de omgeving en hogere bedrijfstemperaturen. Er zijn verschillende manieren om apparaten te koelen, zoals koellichamen, thermo-elektrische koelers, luchtsystemen en ventilatoren, enz.  

1:Koellichamen

Warmteverlies treedt op aan het oppervlak van componenten en neemt toe met de toename van het oppervlak. Een manier om de bedrijfstemperatuur te verlagen is door het oppervlak te vergroten. Dit wordt bereikt door een metalen koellichaam aan het apparaat te bevestigen. Het koellichaam is meestal een goede geleider van warmte, zoals koper, aluminium enz. Koellichamen zijn effectiever als de hele unit goed geventileerd is. Meestal, wanneer koellichamen en componenten in contact komen, is er een kleine luchtspleet tussen de twee over het oppervlak. Lucht is een slechte warmtegeleider en dus beperkt dit het warmteverlies van een apparaat. Om dit effect te ondervangen, worden warmteoverdrachtverbindingen gebruikt.

2:Warmteverspreiders

Warmteverspreiders worden ook gebruikt als koelinrichting. Het zijn thermisch geleidende metalen platen of folies die worden gebruikt om warmte over een groter gebied te verdelen. Het wordt gebruikt als een tussenliggende thermische interface tussen de warmtebron en secundaire warmtewisselaar (koellichaam enz.). De warmteverspreider kan worden toegepast als steunplaat op PCB's met warmtegenererende componenten. Thermische via's worden gebruikt als thermische kanalen tussen de warmteverspreider en componentenpakketten om de warmtestroom te verbeteren.

3:Heatpipes

Warmtepijpen zijn afgedichte holle buizen die een vloeistof of koelmiddel bevatten. Het ene uiteinde is bevestigd aan de warmtebron en het andere uiteinde aan een secundaire warmtewisselaar (zoals koellichaam). De gegenereerde warmte kookt de vloeistof aan het ene uiteinde die naar het koelere uiteinde gaat waar de dampen condenseren en terugkeren naar het verwarmde uiteinde. Ze zijn meestal gemaakt van geleidend metaal en zijn geschikt voor bordontwerpen met beperkte ruimte.

4:Materialen voor thermische interfaces

Dit zijn thermisch geleidende, voorgefabriceerde materialen die verkrijgbaar zijn in verschillende vormen (pads, lijmen, gels enz.). Ze zijn ontworpen om luchtspleten tussen contactoppervlakken op te vullen. Hierdoor wordt het maximale oppervlak gebruikt voor warmteoverdracht en wordt de bedrijfstemperatuur verlaagd. Warmteoverdrachtverbindingen kunnen van vele soorten zijn. Electrolubes produceert thermisch geleidende pasta's die bestaan ​​uit minerale vulstoffen in een dragervloeistof (die niet op siliconen of siliconenbasis kan zijn). Op siliconen gebaseerde pasta's hebben hogere bedrijfstemperaturen dan niet-siliconenpasta's. Het is belangrijk dat bij het gebruik van thermisch geleidend materiaal de interface tussen het apparaat en het koellichaam volledig wordt gevuld.

5:Geforceerde lucht

Het forceren van lucht is een andere veelgebruikte methode voor koeling. Dit kan worden gedaan door het gebruik van een ventilator of blazer om de luchtstroom over een warmtegenererend onderdeel te vergroten. Dit verhoogt de stroom verwarmde lucht weg van het koellichaam en kan de warmteafvoer verbeteren. Er kunnen ventilatoren van verschillende groottes worden gebruikt en hun plaatsing kan worden geoptimaliseerd om het stroompad te verbeteren.

6:Solid-state warmtepompen

Ook bekend als TEC's (thermo-elektrische koelers), dit zijn dunne en compacte halfgeleiderapparaten die tussen de warmtebron en het koellichaam worden geplaatst om de warmteafvoer te verbeteren. Op de TEC wordt een spanning aangelegd die een temperatuurverschil tussen de twee zijden van het apparaat creëert en warmteoverdracht door geleiding mogelijk maakt. Hoewel deze niet erg efficiënt zijn, verplaatsen ze wel grote hoeveelheden warmte en hebben ze een langere levensduur. Wanneer de stroom wordt omgekeerd, keert de warmteoverdrachtstroom om, waardoor het apparaat in een verwarming verandert en ideaal kan zijn voor toepassingen in temperatuurregeling.