Koel blijven: de basisprincipes van de selectie en toepassing van koellichamen

De voortdurende verkleining van de meeste elektronische componenten, vooral microprocessoren en microcontrollers heeft geleid tot een toename van de warmtedichtheid. Een gevolg van deze ontwikkeling is dat thermisch ontwerp en beheer een belangrijke ontwerpkwestie is geworden, aangezien de levensduur, betrouwbaarheid en prestaties omgekeerd evenredig zijn met de bedrijfstemperatuur van een apparaat. Daarom moeten ontwerpers een goed inzicht hebben in doeltreffend thermisch beheer en de beschikbare koellichamen om de bedrijfstemperatuur van een toestel binnen de door de leverancier gestelde grenzen te houden.

Koellichamen werken door de oppervlakte van het apparaat dat aan de koelvloeistof (lucht) wordt blootgesteld te vergroten. Wanneer zij op de juiste wijze zijn gemonteerd, verlagen koellichamen de temperatuur van een toestel door de warmteoverdracht naar koelere omgevingslucht over de grens tussen vaste stof en lucht te verbeteren.

Dit artikel geeft een overzicht van de keuze van koellichamen en geeft richtlijnen voor een juist ontwerp, de keuze van componenten en de beste praktijken om uitstekende koelprestaties te bereiken. Koellichaamoplossingen van Ohmite zullen als praktische voorbeelden worden gebruikt.

Het thermisch circuit

Het vermogen dat door de actieve transistorverbindingen in een geïntegreerde schakeling (IC) wordt afgevoerd, komt vrij in de vorm van warmte, waarbij de temperatuur van de verbinding evenredig is met het afgevoerde vermogen. Fabrikanten specificeren de maximale junctietemperatuur, maar deze ligt meestal rond 150°C. Overschrijding van deze junctietemperatuur leidt in het algemeen tot beschadiging van het apparaat, zodat ontwerpers moeten zoeken naar manieren om zoveel mogelijk warmte weg te leiden van het IC. Daartoe kunnen zij gebruik maken van een vrij eenvoudig model om de warmtestroom te meten - vergelijkbaar met de wet van Ohm voor elektrische berekeningen - op basis van het begrip warmteweerstand, gesymboliseerd door θ (Afbeelding 1).

Afbeeldi,g 1: Het thermische circuitmodel voor een IC met een koellichaam, gebaseerd op het concept van de thermische weerstand, gesymboliseerd door θ. (Bron afbeelding: DigiKey)

Thermische weerstand is de weerstand die warmte ondervindt wanneer deze van het ene medium naar het andere stroomt. Het wordt gemeten in eenheden van graden Celsius per watt (°C/watt) en wordt gedefinieerd als:

Vergelijking 1

met

θ de warmteweerstand over een thermische barrière in °C/watt is.

∆T is het temperatuurverschil over de thermische barrière in °C.

P is het in de junctie gedissipeerde vermogen in watt.

Kijkend naar de fysieke opstelling van het IC en het koellichaam, zijn er een aantal thermische interfaces. De eerste is tussen de junctie en de behuizing van het IC, die wordt gemodelleerd door de thermische weerstand θ_jc.

Het koellichaam wordt aan het IC bevestigd met een thermisch interfacemateriaal (TIM): thermische pasta of thermische tape om de thermische geleiding tussen de twee apparaten te verbeteren. Deze laag, die over het algemeen een lage weerstand heeft, wordt gemodelleerd als onderdeel van de warmteweerstand tussen behuizing en koellichaam, θ_cs. De laatste fase is de interface van het koellichaam met de omgeving, θ_sa.

Thermische weerstanden worden in serie geplaatst, net als weerstanden in een elektronische schakeling. De som van alle thermische weerstanden geeft de totale thermische weerstand van de junctie naar de omgevingslucht.

De thermische weerstand tussen junctie en behuizing wordt gewoonlijk impliciet of expliciet gespecificeerd door de leverancier van het IC. De specificatie kan de vorm hebben van een maximale kasttemperatuur, waardoor een van de thermische weerstandselementen wordt uitgeschakeld. De ontwerper die het IC toepast, heeft geen controle over de karakteristiek van de thermische weerstand tussen junctie en behuizing. De ontwerper kan echter wel de TIM- en koellichaamkenmerken kiezen die nodig zijn om het IC voldoende te koelen om de junctietemperatuur onder het gespecificeerde maximum te houden. In het algemeen geldt: hoe lager de thermische weerstand van het TIM en het koellichaam, hoe lager de behuizingtemperatuur van het gekoelde IC.

Voorbeeld van koellichaamselectie

Ohmite biedt de BG-serie koellichamen aan, ontworpen om te werken met ball grid array (BGA) of plastic ball grid array (PGBA) centrale verwerkingseenheden (CPU's), grafische verwerkingseenheden (GPU's), of gelijkaardige processoren met vierkante voetafdrukken (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: De koellichamen van de BG-serie zijn geschikt voor in BGA verpakte IC's, waaronder CPU's, GPU's en andere met vergelijkbare vierkante voetafdrukken. (Afbeelding bron: Ohmite)

Er zijn tien koellichaamontwerpen in de reeks, met voetafdrukken die overeenkomen met gangbare IC-configuraties van 15 x 15 millimeter (mm) tot 45 x 45 mm, en lamellenoppervlakken die variëren van 2.060 tot 10.893 mm² (Tabel 1). Deze RoHS-conforme koellichamen zijn gemaakt van zwart geanodiseerde 6063-T5 aluminiumlegering.

Tabel 1: De BG-serie varieert in lameloppervlak van 2.060 tot 20.893 mm². (Tabel bron: DigiKey))

De warmteweerstandswaarden in de tabel gelden voor natuurlijke convectiekoeling. Geforceerde convectie met behulp van een ventilator verlaagt de thermische weerstand evenredig met de snelheid van de koellucht. Geforceerde luchtkoeling kan de warmteweerstand met een factor twee of drie verminderen (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: De thermische prestaties van de Ohmite BG-serie koellichamen voor geforceerde luchtkoeling. (Afbeelding bron: Ohmite)

Thermische interfacematerialen

In het geval van de Ohmite BG-serie is het thermische interfacemateriaal tussen de behuizing van het IC en het koellichaam een dubbelzijdige thermische tape, die met het koellichaam wordt meegeleverd. Het gebruik van dubbelzijdige tape vereenvoudigt de installatie aangezien de tape geen mechanisch ontwerp of fabricage vereist.

TIM's worden gewoonlijk gespecificeerd aan de hand van hun warmtegeleidingsvermogen in eenheden van watt per meter Celsius (watt/(m°C)) of watt per meter Kelvin (watt/(m°K)). De thermische weerstand van de TIM-laag is afhankelijk van de dikte van de tape en het oppervlak waarop deze wordt aangebracht. De warmteweerstand kan worden berekend met de vergelijking:

Vergelijking 2

met

De dikte wordt uitgedrukt in meter (m).

De oppervlakte wordt uitgedrukt in vierkante meter (m²).

De warmtegeleidingscoëfficiënt wordt uitgedrukt in watt/(m°C) of watt/(m°K).

Celsius en Kelvin zijn verwisselbaar omdat zij beide dezelfde eenheid voor temperatuurmeting gebruiken, en het temperatuurverschil wordt berekend (bv. een temperatuursverandering van 10 °C komt overeen met een temperatuursverandering van 10 °K).

Als we kijken naar het Ohmite BGAH150-075E 15 x 15 x 7,5 mm koellichaam (bevestigd aan een 15 x 15 mm apparaat), is de oppervlakte van het TIM 225 mm² (225 E^-6m²). De dikte van de meegeleverde thermische tape is 0,009 inch of 0,23 mm (0,00023 m). De gespecificeerde thermische geleidbaarheid is 1,4 watt/(m°K). Gebruik van deze waarden in vergelijking 2 levert op:

 Vergelijking 3

De thermische weerstand van het TIM zal in het algemeen veel kleiner zijn dan die van het koellichaam, en zal lager zijn voor koellichamen met een grotere voetafdruk.

Een voorbeeld van de bepaling van de minimale warmteweerstand die nodig is in een koellichaam om het IC binnen zijn temperatuurlimiet te houden begint met het IC. Neem een IC van 15 x 15 mm met een maximale gespecificeerde behuizingstemperatuur van 85 °C, dat in normaal bedrijf 2 watt verbruikt, en dat werkt in een behuizing met een omgevingstemperatuur van 45 °C.

Het bepalen van de vermogensdissipatie voor een processor kan moeilijk zijn vanwege het brede scala van bedrijfsmodi. Sommige fabrikanten proberen dit te vereenvoudigen door het thermisch ontwerpvermogen of TDP op te geven. Het TDP is het vermogen dat wordt verbruikt wanneer een "echte toepassing" wordt uitgevoerd Er is enige discussie over de geschiktheid van deze classificatie, aangezien deze afhankelijk is van de toepassing. Het is ook mogelijk de maximale vermogensdissipatie te bepalen door te verwijzen naar de stroomvereisten voor elk van de voedingsspanningen van de CPU. Deze waarde kan hoger zijn dan de door TDP beschreven dissipatie. Ontwerpers moeten de technische gegevens van de leverancier raadplegen om de beste schatting van de nominale vermogensdissipatie van een IC te bepalen.

Om terug te keren naar het voorbeeld: de minimale warmteweerstand (θ) van het vereiste koellichaam en TIM kan worden bepaald met behulp van vergelijking 4:

Vergelijking 4

De Ohmite BGAH150-075E heeft een warmteweerstand van 18 °C/watt; met de toegevoegde weerstand van het TIM, 0,73 °C/watt, komt het totaal op 18,73 °C/watt. Dit is lager dan de berekende minimale warmteweerstand en het zal werken. Als dit koellichaam wordt gekozen, zou op basis van een omgekeerde berekening met gebruikmaking van vergelijking 1 en met de omgevingstemperatuur constant gehouden, de geschatte maximale kasttemperatuur 82,5 °C bedragen.

Als alternatief koellichaam kan de 15 x 15 x 12,5 mm Ohmite BGAH150-125E worden gekozen, met een groter oppervlak door een grotere lamelhoogte, waardoor de totale warmteweerstand van het koellichaam en TIM tot 11 °C/watt wordt verlaagd. Dit zou de kasttemperatuur verlagen tot ongeveer 67 °C voor ongeveer dezelfde kosten en een grotere temperatuurmarge opleveren.

Andere overwegingen kunnen zijn de beschikbare ruimte voor het koellichaam of de eventuele noodzaak van een koelventilator.

Conclusie

De keuze van een koellichaam is relatief eenvoudig vanuit thermisch oogpunt. Zoals aangetoond bieden de Ohmite BG Serie koellichamen een levensvatbare oplossing voor koelingsproblemen bij BGA verpakte IC's.