Inleiding:

Alle apparaten werken door warmte te genereren als bijproduct. Om deze apparaten te voorkomen dat ze oververhit raken, is thermisch beheer vereist. De efficiëntie van een apparaat is omgekeerd evenredig met de temperatuur. Vervolgens genereren high-performance componenten warmte die de levensduur van het apparaat kan verminderen en de efficiëntie verlagen. Daarom moeten we de temperatuur in de gaten houden door gegenereerde warmte van deze apparaten te verwijderen.

In de loop van de tijd zijn onze apparaten kleiner geworden, maar met verhoogde functionaliteit. Dit leidde tot snellere verwerking en als resultaat meer warmteopwekking met verhoogd stroomverbruik. Op dezelfde manier zijn de implementaties ook geminiaturiseerd om warmte te disperseren en kunnen een uitdaging worden voor ingenieurs. Over het algemeen moet de warmtedissipatie evenredig zijn met de vermogensdissipatie, volgens de vermogensvergelijking. De drie hoofproblemen waar ingenieurs mee te maken krijgen in het beheren van vermogensdissipatie zijn de dichte PCB's, verhoogde dichtheid van IC-chips en de afmetingen en mobiliteit van apparaten.

Sommige componenten produceren lage hoeveelheden warmte, terwijl andere apparaten relatief hogere hoeveelheden warmte produceren. Daarom moeten maatregelen genomen worden om hun levensduur en betrouwbaarheid te verlengen. Meestal zullen geïsoleerde elektrische componenten die warmte produceren, dit doen totdat de binnen het apparaat geproduceerde warmte gelijk wordt aan de warmte die verloren gaat aan de omgeving en het apparaat evenwicht bereikt. Warmte wordt meestal gegenereerd door weerstand tegen de stroom van elektronen in het materiaal. Lagere weerstand, hogere geleidbaarheid en minder warmte wordt gegenereerd. Dit wordt bewezen door de wet van Joule H=I²Rt.

Thermisch Beheer in Apparaten:

Warmtebeheer is een belangrijk deel van het elektronische ontwerp. Om efficiëntie en nauwkeurigheid van componenten en systeem hotspots te garanderen, moet overtollige warmte van hen afgevoerd worden. Ingenieurs kunnen intelligent thermisch ontwerp gebruiken om warmte-gerelateerde fouten te verminderen. Er zijn drie strikte drijvende krachten die eisen stellen aan materialen voor thermisch beheer.

Eerst, om de snelheid te verbeteren, comprimeerden ontwerpers de kern van de microprocessors tot kleinere formaten. Dit geeft ons hogere warmteopwekking per eenheidsoppervlakte. Als resultaat wordt het temperatuurval door geleiding binnen de microprocessor en warmtespreider vergelijkbaar met het maximaal toegestane temperatuurval. Tweedens, er is een toename in temperatuurstijging over de interconnecties tussen transistors. Dit is vanwege de toename in metallagen en toenemende stroomdichtheden tussen interconnecties. Derdens, er is een toename in de temperatuurstijging binnen hedendaagse en geplande transistor-technologieën. Een afname in kanaaldimensies leidt tot verhoogde vermogensdichtheid en elektronen-fonon non-evenwicht binnen apparaten. Deze poseren uitdagingen voor onderzoek in materialen en vastestof-fysica.

Koeling van Elektronica:

Volgens de wet van Newton over afkoeling is de snelheid van warmteverlies evenredig met het temperatuurverschil tussen het lichaam en zijn omgeving. Naarmate de temperatuur van het lichaam stijgt, doet de warmteverlies dat ook. Wanneer de snelheid van warmteverlies in evenwicht is met de snelheid van warmteopwekking, bereikt het apparaat zijn evenwichtstemperatuur. Deze temperatuur kan de levensduur van componenten verminderen en bepaalde maatregelen moeten genomen worden voor thermisch beheer.

Eén manier om de temperatuur in circuits of apparaten te controleren is door de luchtstroom door ventilatie te verhogen. Dit zal resulteren in lagere bedrijfstemperaturen. Houd er ook rekening mee dat verminderde atmosferische dichtheid op hogere hoogtes resulteert in minder effectieve warmteoverdracht aan de omgeving en hogere bedrijfstemperaturen. Er zijn verschillende manieren om apparaten te koelen zoals warmtegeleiders, thermo-elektrische coolers, luchtssystemen en ventilatoren, enz.

1: Warmtegeleiders (Heat-sinks)

Warmteverlies treedt op aan het oppervlak van componenten en neemt toe met de toename van oppervlakte. Een manier om de bedrijfstemperatuur te verlagen is door het oppervlak te vergroten. Dit wordt bereikt door een metalen warmtegeleider aan het apparaat te bevestigen. De warmtegeleider is meestal een goede warmteleider zoals koper, aluminium, enz. Warmtegeleiders zijn effectiever als de hele unit goed geventileerd is. Meestal, wanneer warmtegeleiders en componenten in contact komen, is er een klein luchtgat tussen de twee over het oppervlak. Lucht is een slechte warmteleider en dit beperkt het warmteverlies van een apparaat. Om dit effect te overwinnen, worden warmteoverdrachtsverbindingen gebruikt.

2: Warmtespreiders (Heat spreaders)

Warmtespreiders worden ook als koelapparaten gebruikt. Ze zijn thermisch geleidende metalen platen of folies die gebruikt worden om warmte over een breder gebied te distribueren. Het wordt gebruikt als een intermediair thermisch interface tussen de warmbron en de secundaire warmtewisselaar (warmtegeleider, enz.) De warmtespreider kan als een achterplaat worden toegepast op PCB's met warmteproducerende componenten. Thermische vias worden gebruikt als thermische kanalen tussen de warmtespreider en componentenbehuizingen om de warmtestroom te verbeteren.

3: Warmtepijpen (Heat pipes)

Warmtepijpen zijn afgedichte holle buizen die een vloeistof of koelmiddel bevatten. Een uiteinde is bevestigd aan de warmbron en het andere uiteinde aan een secundaire warmtewisselaar (zoals warmtegeleider). Gegenereerde warmte doet de vloeistof koken aan één uiteinde wat naar het koelere uiteinde reist waar de dampen condenseren en terugkeren naar het verwarmde uiteinde. Ze zijn meestal gemaakt van geleidend metaal en geschikt voor ruimtebeperkte bordontwerpen.

4: Thermische Interface Materialen

Dit zijn thermisch geleide, voorgefabriceerde materialen die beschikbaar zijn in een verscheidenheid aan vormen (pads, lijmen, gels, enz.) Ze zijn ontworpen om luchtgaten tussen contactoppervlakken op te vullen. Als resultaat wordt het maximale oppervlak gebruikt voor warmteoverdracht en de bedrijfstemperatuur verlaagd. Warmteoverdrachtsverbindingen kunnen veel typen zijn. Electrolubes produceren thermisch geleide pasta's die bestaan uit minerale vullers in een dragerfluid (wat non-silicone of silicone-gebaseerd kan zijn). Silicone-gebaseerde pasta's hebben hogere bedrijfstemperaturen dan non-silicone pasta's. Het is belangrijk dat bij het gebruik van thermisch-geleidend materiaal de interface tussen het apparaat en de warmtegeleider volledig gevuld is.

5: Geforceerde Lucht

Geforceerde lucht is een andere veelvoorkomende methode die gebruikt wordt voor koeling. Dit kan gedaan worden door het gebruik van een ventilator of blower om de luchtstroom over een warmteproducerend component te vergroten. Dit verhoogt de stroom verwarmde lucht weg van de warmtegeleider en kan de warmtedissipatie verbeteren. Ventilatoren van diverse formaten kunnen gebruikt worden en hun plaatsing kan geoptimaliseerd worden om de stroomverbetering te verbeteren.

6: Vaste-stof Warmtepompen

Ook bekend als TECs (thermoelectric coolers), zijn dit dunne en compacte halfgeleiderapparaten die tussen de warmbron en warmtegeleider geplaatst worden om de warmtedissipatie te verbeteren. Een spanning wordt aangelegd op de TEC wat een temperatuurverschil creëert tussen de twee zijden van het apparaat en warmteoverdracht door geleiding mogelijk maakt. Hoewel deze niet erg efficiënt zijn, verplaatsen ze wel grote hoeveelheden warmte en hebben ze een langere levensduur. Ook, wanneer de stroom omgekeerd wordt, keert de warmteoverdrachtsstroom om, wat het apparaat in een verwarmingsapparaat verandert en ideaal kan zijn voor toepassingen in temperatuurcontrole.