Poniedziałek, 20 maja 2024

Układy małe i wydajne? Oby nie gorące!

Ciepło zawsze było problemem w elektronice, gdyż jest to czynnik odpowiedzialny za wiele zjawisk powiązanych z awaryjnością. Zmiany temperatury wywołane wydzielaniem się ciepła, pojawiające się podczas włączania i wyłączania zasilania, zmianą stopnia obciążenia, różnymi warunkami klimatycznymi, prowadzą do zmęczenia połączeń elektrycznych, powstawania naprężeń na styku materiałów, zmiany parametrów komponentów, elektromigracji. Wysoka temperatura degraduje też właściwości materiałów, przyspiesza ich starzenie się i powoduje, że panowanie nad wydzielaniem się ciepła jest bardzo ważną częścią pracy projektantów.

Układy małe i wydajne? Oby nie gorące!

Co więcej, zmiany w technologii, dla których wspólnym mianownikiem jest niski pobór mocy, wcale problemów z ciepłem nie wyeliminowały. Urządzenia mobilne, nawet jeśli zużywają niewiele energii, gdyż z reguły są zasilanie z baterii, cały czas wymagają kontroli wzrostu temperatury. Takie konstrukcje, zamiast jednego gorącego elementu i całej reszty chłodnej, zawierają wiele miejsc zimnych i ciepłych, a czasem nawet gorących, co niestety nie pozwala na łatwą ocenę i proste, szablonowe, podejście do problemu.

Dodatkowo wiele komponentów staje się źródłem ciepła w pewnych sytuacjach, np. interfejs USB podczas transmisji danych będzie się silnie grzać, a przez resztę czasu może mieć odcięte zasilanie. Z tej przyczyny dla wielu bloków konieczne jest spowalnianie taktowania, tak aby się nie przegrzały, a wydzielające się z nich ciepło nie uszkodziło baterii i innych elementów w pobliżu. Jedną z klas komponentów, które można zaliczyć do tej kategorii, są kondensatory elektrolityczne stosowane na przykład w zasilaczach. Są one wrażliwe na ciepło i mają niską maksymalną dopuszczalną temperaturę. Obudowa, która w elektronice mobilnej jest elementem chłodzącym, też nie może być zbyt gorąca z uwagi na bezpieczeństwo użytkownika.

Szacowanie ilości wydzielanego ciepła jest powiązane ze stopniem obciążenia urządzenia, które zmienia się w szerokim zakresie. Podejście polegające na określeniu najgorszego przypadku i dostosowaniu konstrukcji do warunków panujących w takim stanie niekoniecznie jest optymalne, stąd zarządzanie ciepłem staje się wielowymiarowym zagadnieniem obejmującym także metody aktywne, czyli w uproszczeniu mówiąc, regulację wydajności urządzenia w połączeniu z pomiarem temperatury.

Podobne zjawiska dotyczą chipów. Procesory aplikacyjne mają tak złożoną konstrukcję wewnętrzną i wielką skalę integracji, że ich struktury mogą się lokalnie przegrzewać, na skutek obciążenia danego obwodu. Lokalny wzrost temperatury wywołuje naprężenia powodujące pękanie przelotek TSV w strukturach 3D i zmęczenie kontaktów. Doniesienia o pogarszającej się niezawodności chipów nie są bez podstaw.

Na dodatek wiele procesów związanych z wydzielaniem się ciepła i wzrostem temperatury ma charakter dynamiczny. Nagła aktywacja bloku lub obwodu wynikająca z zadania, które wymaga przetworzenia, może wywołać nagły skokowy przyrost. W aplikacji o dużej gęstości upakowania tworzy to duży przejściowy gradient termiczny, który może narobić szkód, zanim powiązane z nim ciepło zostanie odprowadzone, a oprogramowanie układowe zareaguje przyhamowaniem wydajności lub obniżeniem napięcia.

Znaczenie tego zjawiska staje się coraz większe wraz z kolejnymi skokami złożoności technologii, stopniem upakowania i integracji. Gradientów temperaturowych i gorących punktów wynikających z ich pojawienia się nie da się łatwo zmierzyć nawet za pomocą obrazowania w podczerwieni. Na dodatek, nie jest tak, że w danym momencie może wystąpić tylko jeden gorący punkt. Może być ich więcej i mogą one wpływać na siebie wzajemnie i na pracę bloków zimnych.

Stąd nadzieja kryje się w zaawansowanych narzędziach do symulacji, takich, które pozwalają modelować nie tylko zależności termiczne, ale jednocześnie wywołane przez rozkład temperatury deformacje mechaniczne. W kontekście ciepła wiele się też mówi ostatnio o wspólnym projektowaniu sprzętu i oprogramowania, być może dlatego, że najlepszy projekt sprzętowy da się zepsuć cieplnie przez jedną nieudaną aktualizację.

Robert Magdziak

Zapytania ofertowe
Unikalny branżowy system komunikacji B2B Znajdź produkty i usługi, których potrzebujesz Katalog ponad 7000 firm i 60 tys. produktów
Dowiedz się więcej
Przejdź do kompendium

Polecane

Nowe produkty

Zobacz również