Zarządzanie ciepłem w urządzeniach elektronicznych

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 liście najważniejszych zjawisk przeszkadzających w rozwoju rynku wybijają się dwa czynniki: silna konkurencja oraz wysokie ceny rozwiązań wynikające m.in. z wysokich cen surowców, głównie metali takich jak miedź i aluminium. Wiele z rozwiązań chłodzących opiera się na nieskomplikowanych technologiach produkcji lub też opanowanych w szczegółach lata temu. Wiele popularnych produktów standardowych ma wielu producentów i marże handlowe na nich są niewielkie. Za czynnik o charakterze regresywnym uznano także to, że z roku na rok elektronika wydziela coraz mniej ciepła i systemy chłodzące przestają dominować w obudowach i na liście BOM.

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 (T_j=150ºC). Bez problemu daje się kupić elementy z maksymalną temperaturą złącza T_j=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

Na liście najważniejszych czynników sprzyjających rozwojowi rynku znalazły się szeroka oferta produktowa, miniaturyzacja i wzrost presji na jakość oraz oddziaływanie ze strony aplikacji profesjonalnych. Sporo głosów padło też na szybko poszerzającą się ofertę w zakresie nowoczesnych materiałów termoprzewodzących. Wniosek jest taki, że możliwość wyboru rozwiązania spośród wielu typów, a także swoboda konstrukcyjna w kształtowaniu systemu zarządzania ciepłem w sposób dopasowany do wymagań aplikacyjnych zapewniający wysokie parametry bez degradowania jakości jest główną siłą napędową rynku. Konstruktorzy zdają sobie sprawę, że systemy chłodzenia mają wiele ograniczeń i starają się ograniczyć oddziaływanie problemów jakie wiążą się z ich użyciem. Kompromisu i złotego środka szukają w różnych typach produktów, łączeniu w ramach jednego urządzenia dwóch typów, także w nowinkach technologicznych, czego materiały są najlepszym przykładem.

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

Zdaniem blisko połowy ankietowanych specjalistów w 2017 roku na rynku panowały dobre warunki biznesowe w zakresie materiałów i komponentów do zarządzania ciepłem. Dodatkowo co trzeci pytany ocenił warunki jako bardzo dobre, co zapewne oddaje ogólny klimat panujący w krajowej branży elektroniki. Zarządzanie ciepłem, głównie oczywiście chłodzenie, dotyczy większości sektorów i szerokiego spektrum urządzeń, przez co sprzedaż ma charakter uśredniony lub innymi słowy stabilny. Dodatkowo specyfika krajowego rynku, gdzie najbardziej liczą się rozwiązania specjalistyczne, produkty niszowe, sprzyja różnorodności dystrybucji od strony asortymentu, a więc przestrzeni zbytu zarówno na rozwiązania tradycyjne (np. radiatory metalowe), jak i nowości - materiały.

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.