Energooszczędność zmienia wiele w chłodzeniu
Na przykład to, że przy małej mocy wydzielanej nie trzeba wcale specjalnych radiatorów, bo sama obudowa komponentu wystarcza do rozproszenia ciepła lub też kawałek miedzi na płytce drukowanej służy za cały radiator. Chłodzenie za pomocą płytki drukowanej z dużymi płaszczyznami miedzi popularyzuje się też na skutek coraz lepszej dostępności i niższych cen obwodów wielowarstwowych.
W ramach płytki dwustronnej na taki radiator można było sobie pozwolić w mało skomplikowanych układach, gdzie mozaika ścieżek była prosta i zostawało wiele pustego miejsca. W obwodach wielowarstwowych można wszystkie połączenia ukryć na warstwach wewnętrznych, a te skrajne przeznaczyć na chłodzenie.
W przypadku, gdy ciepła jest więcej, można też próbować sięgnąć po laminaty z grubą warstwą miedzi lub oczywiście z rdzeniem metalowym.
Najważniejsze zjawiska negatywne |
Na rynku pojawiają się półprzewodniki mocy z azotku galu (GaN) i węglika krzemu (SiC). Te pierwsze są jeszcze sporą nowością, ale te drugie to już opracowanie sprzed wielu lat, które wydaje się, że wreszcie się popularyzuje, a ceny staną się przystępne. Tranzystory tego typu mają znakomite parametry zapewniające bardzo małe straty mocy. Tym samym zasilacze, falowniki i przełączniki z ich użyciem grzeją się znacznie mniej niż elementy krzemowe i mogą być znacznie mniejsze.
Co więcej, złącza tranzystorów z GaN pracują przy znacznie wyższych temperaturach niż odpowiedniki krzemowe (Tj=150ºC). Bez problemu daje się kupić elementy z maksymalną temperaturą złącza Tj=250ºC, co oznacza w omawianym temacie, że wymagana do ich pracy powierzchnia chłodząca radiatora jest znacznie mniejsza. Warto przy okazji zauważyć, że bez dyrektywy RoHS te tranzystory trudno by było przylutować do płytki, bo klasyczny stop SnPb w tej temperaturze już mięknie.
Niewielką moc z nowoczesnych układów elektronicznych odprowadza się do otoczenia przez ścianki obudowy, co jest sposobem najtańszym oraz zapewniającym całej konstrukcji wysoką odporność środowiskową. Wprawdzie obudowa z tworzywa nie jest dobrym przewodnikiem ciepła i nawet gdy jej wnętrze zostanie zalane materiałem termoprzewodzącym, nie można liczyć na wydajne chłodzenie.
Niemniej, gdy ciepła jest niewiele, a dopuszczalna temperatura podzespołów jest duża, całość może niezawodnie funkcjonować - przykładem jest zasilacz do laptopa - jeśli nie zapomni się o doborze kondensatorów elektrolitycznych. Wnętrze szczelnej obudowy plastikowej zasilacza, falownika lub regulatora silnie się nagrzewa i o ile dla wielu komponentów, w tym nowoczesnych tranzystorów, nie jest to problem, o tyle dla kondensatorów elektrolitycznych temperatura +100ºC wydaje się granicą trwałości. Ogólnie podwyższona temperatura nie sprzyja tym elementom.
W komputerach najbardziej widać odejście od wentylatorów
Komputery przemysłowe były pierwszym i najbardziej charakterystycznym dla rynku chłodzenia elektroniki produktem, gdzie wentylatory zostały uznane za niechciane. Konstrukcje bezwentylatorowe, a więc wykorzystujące sporej wielkości radiator metalowy na procesorze zapewniający chłodzenie pasywne, były sporym osiągnięciem technicznym, bo zapewnienie skutecznego chłodzenia w przemysłowym zakresie temperatur nigdy nie było banalne.
Główne zjawiska pozytywne na rynku |
Aktualnie bezwentylatorowość jest standardem i tylko najbardziej wydajne i złożone jednostki korzystają jeszcze z wentylatorów. Małe komputerki przemysłowe i wszystkie jednopłytkowe są nie tylko chłodzone pasywnie, ale z reguły nie mają nawet dużych radiatorów metalowych. Lada chwila dojdziemy w kolejnej generacji procesorów ARM-a lub Intela do sytuacji, że nawet ten niewielki radiator przestanie być potrzebny. Komputery przemysłowe tym samym stały się urządzeniami, gdzie najlepiej widać, jak postęp technologiczny zmienia potrzeby w zakresie chłodzenia.
Elektronika mobilna napędza rynek materiałów
Przy rozważaniach takich nietypowych układów chłodzenia zwykle myślimy o półprzewodnikach, którym konstruktor stara się ograniczyć przyrost temperatury. Niemniej wraz z ekspansją rozwiązań impulsowych coraz częściej problem chłodzenia przestaje mieć charakter punktowy, czyli skupiony na elementach mocy. Grzeją się elementy indukcyjne, a więc transformatory i dławiki, kondensatory filtrów wyjściowych i pracujące w obwodach gasikowych, a także szybkie układy cyfrowe.
Na dodatek elementy są ciasno upakowane i każde miejsce na laminacie jest zagospodarowane. W ten sposób te cieplejsze komponenty podgrzewają całą resztę i tym samym chłodzenie przestaje być domeną tranzystorów mocy. Gdy ciepła jest do odprowadzenia dużo, cały czas podejście systemowe z głównym elementem w postaci wentylatora zamocowanego do obudowy ma w takim przypadku sens.
Warunki biznesowe w 2017 roku |
Ale gdy ciepła jest niewiele, konstruktor sięga po materiały termoprzewodzące, którymi łączy grzejące się elementy z obudową lub radiatorem, zapewniając tym samym równomierne odprowadzanie ciepła. Wybór rozwiązania zależy od specyfiki aplikacji, ale typowe rozwiązania obejmują podkładki pod płytkę lub elementy albo zalanie całości tworzywem. Ten drugi sposób pozwala za jednym zamachem osiągnąć więcej celów: ochronę środowiskową, bezpieczeństwo elektryczne i podobne wymagania.
Wygoda i nieduże koszty powodują, że w ostatnich latach rynek materiałów termoprzewodzących szybko się rozwija. W tym obszarze pojawia się sporo nowości i rośnie też liczba dostawców, co sprzyja obniżkom cen oraz lepszej dostępności produktów. Poprawiają się też parametry związane z transmisją ciepła, które są kluczowe w tym obszarze zastosowań, gdyż decydują o wydajności chłodzenia.
Barbara LigenzaBL elektronik
Wzrost gęstości mocy w obecnych układach elektronicznych wymaga stosowania coraz bardziej wydajnych rozwiązań w zakresie odprowadzania ciepła. Pojawiają się więc materiały o wysokim przewodnictwie cieplnym, takie jak pasty, folie grafitowe, czy typu gap filler, które wykorzystuje się do wypełniania szczelin. Poza nimi są też materiały phase change oraz zalewy o wysokim przewodnictwie cieplnym i niskiej lepkości. W związku z rosnącym rynkiem oświetlenia LED producenci oferują rozwiązania specjalnie dla tej branży: taśmy PSA, kleje termoprzewodzące.
Aby zaspokoić potrzeby klientów, nie wystarczy już tylko oferować produkty wysokiej jakości i w dobrych cenach. Klienci oczekują od dostawców systemowego podejścia do zagadnień oraz wsparcia w wyborze optymalnych rozwiązań do danych aplikacji. Dotyczy to nie tylko doboru odpowiedniego materiału, sposobu dozowania czy nakładania, ale również doradztwa w zakresie testowania i potwierdzenia własności otrzymanych warstw termoprzewodzących. Ponadto ze względu na globalny łańcuch dostaw dla większości odbiorców kluczowe jest otrzymanie materiału "just in time". Z tego powodu poważnym atutem jest posiadanie magazynu w Europie.
Produkty markowych producentów o potwierdzonej jakości są coraz częściej preferowane przez projektantów systemów chłodzenia. Ten korzystny trend spowodowany jest przez rosnącą liczbę projektów, gdzie gwarancja jakości jest jednym z głównych wymagań. Jest tak w przypadku urządzeń przeznaczonych na rynek samochodowy czy medyczny, a takich aplikacji jest w naszym kraju coraz więcej. Ważny jest w związku z tym łatwy dostęp do danych katalogowych i kluczowych parametrów wykorzystywanych materiałów, szczególnie jeśli od nich zależy bezpieczeństwo produktu. |