Materiały i komponenty do zarządzania ciepłem - coraz mniej radiatorów, coraz więcej materiałów

Skuteczne chłodzenie elektroniki jest zagadnieniem nieustannie towarzyszącym pracom projektowym i niezbędnym elementem konstrukcyjnym dla większości urządzeń elektronicznych. Wprawdzie postęp w technologii półprzewodników nieustannie zwiększa sprawność sprzętu i zapotrzebowanie na moc zasilającą, niemniej coraz większa miniaturyzacja i złożoność układowa nie pozwalają zapomnieć o chłodzeniu.

Nacisk na wysoką jakość oraz coraz większa penetracja elektroniki we współczesnej technice zwiększają liczbę miejsc, gdzie sprzęt jest instalowany, także w trudnych warunkach środowiskowych. Zainteresowanie materiałami i podzespołami do chłodzenia staje się w pewnym sensie pochodną procesu dochodzenia do jakości, bo trudno o bardziej czytelne związki pomiędzy niezawodnością elektroniki a temperaturą pracy komponentów.

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 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 przypadku gdy ciepła jest więcej, można próbować sięgnąć po laminaty z grubą warstwą miedzi lub oczywiście z rdzeniem metalowym.

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 może wreszcie się spopularyzuje, a ceny staną się przystępne. Tranzystory tego typu mają znakomite parametry zapewniające bardzo małe straty mocy.

Najważniejsze cechy brane pod uwagę przy kupnie materiałów i komponentów do chłodzenia

 

Ranking najważniejszych kryteriów ofert handlowych w obszarze zarządzania ciepłem można traktować jako szablonową i modelową projekcję relacji klient–dostawca na krajowym rynku. Cztery pierwsze pozycje na szczycie wykresu powtarzają się w większości naszych zestawień dla popularnych komponentów elektronicznych, stanowiąc uniwersalny zestaw selekcji. Warto jedynie dostrzec, że w ostatnich czasach rośnie znaczenie czasu dostawy, bo gospodarki krajów europejskich zaczęły po kilku chudych latach rosnąć i na wiele komponentów tworzą się kolejki. Warto zauważyć, że bardziej liczy się posiadanie szerokiego asortymentu wyrobów gotowych (np. radiatorów) niż dostępność usług mechanicznych (np. frezowania i cięcia profili).

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 wyższych temperaturach niż odpowiedniki krzemowe, co oznacza w omawianym temacie, że wymagana do ich pracy powierzchnia chłodząca radiatora jest znacznie mniejsza.

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.

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, a więc skupiony na elementach mocy.

Grzeją się elementy indukcyjne, jak 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. 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.

Największy potencjał rynkowy wg typów

 

Jeśli chodzi o potencjał rynkowy, to opinie wskazują na istnienie wyraźnej polaryzacji. Jeden biegun tworzą rozwiązania dla nowoczesnej elektroniki mobilnej i aplikacji energooszczędnych, a więc materiały (folie, zalewy), a drugi to wentylatory i dmuchawy stosowane w aplikacjach przemysłowych i sprzęcie profesjonalnym do chłodzenia większych systemów, szaf instalacyjnych i rozbudowanych układowo urządzeń. Reszta, a więc radiatory lub systemy wodne czy chłodziarki sprężarkowe, to albo produkt niszowy, albo taki, którego konstruktorzy zaczynają unikać. Modnym hasłem dla komputerów przemysłowych było przed laty określenie bezwentylatorowy. Wydaje się, że nadchodzi czas na analogiczne pojęcie "bezradiatorowy" jako synonimu lekkiej, zwartej i energetycznie efektywnej konstrukcji.

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.

WENTYLATORY TAK JAK PRZEKAŹNIKI NIGDY NIE ZNIKNĄ

 

Przegląd ofert dostawców urządzeń i materiałów do zarządzania ciepłem w elektronice

Wentylatory zniknęły lub szybko znikają w urządzeniach konsumenckich oraz małych aplikacjach przemysłowych, ale rozwiązania przemysłowe i energoelektronika nie może się bez nich obejść i stawia tym produktom coraz większe wymagania. Wentylatory do chłodzenia szaf instalacyjnych w halach produkcyjnych, do obsługi serwerowni, wydajnych zespołów komputerowych, urządzeń medycznych, maszyn, oświetlenia scenicznego i do podobnych zastosowań są i długo jeszcze będą niezbędne.

Dlatego wielu producentów ma w ofercie rozwiązania o dużej trwałości, odporne na kurz i mgłę olejową, których łopatki są wyważone a działanie ciche. Na rynku są dostępne wersje z czasem życia powyżej 150 tys. h, zakresem temperatur pracy od -20 do +85°C, a nawet wersje szczelne z IP68.

Standardem jest wyprowadzenie impulsów tachometrycznych pozwalające na kontrolę obracania i możliwość regulacji obrotów. Nowe konstrukcje dużych jednostek mają też energooszczędne silniki.

 

Dane kontaktowe do dostawców urządzeń i materiałów do zarządzania ciepłem

Najnowsze wentylatory mają również rozbudowane systemy zabezpieczeń, które nie tylko sygnalizują elektronice sterującej urządzeniem awarię, czyli zatarcie łożyska, ale także zapewniają precyzyjny rozruch, a nawet poprzez chwilowe odwrócenie kierunku wirowania usiłują oczyścić łopaty z kurzu. Coraz częściej wentylatory prócz zasilania i zwrotnej informacji o obrotach wirnika, mają jeszcze w złączu zasilającym czwarty przewód pozwalający na precyzyjną regulację szybkości wirowania.

Wentylatory na napięcie stałe i o rozmiarze do ok. 120 × 120 mm to rozwiązania kierowane przede wszystkim do elektroniki powszechnego użytku i sprzętu komputerowego. W tym obszarze zmiany są trudno dostrzegalne, ale można powiedzieć, że sprowadzają się do zapewniania dużej trwałości poprzez użycie łożyska ślizgowego z materiału porowatego lub kulkowego, a także do dokładnego wyważenia łopat.

Rośnie też stale liczba dostępnych typów, tak aby można było dobrać pasujący element w każdej sytuacji. Do wyboru są wersje kwadratowe od ok. 20 × 20 mm po 120 × 120 mm o kilku różnych grubościach. W ramach jednego wymiaru można jeszcze wybierać ułożyskowanie i wydajność przepływu powietrza oraz napięcie zasilania. Są też wentylatory okrągłe i dmuchawy, co razem daje grubo ponad setkę dostępnych wersji.

CHŁODZENIE WODNE I POMPAMI CIEPLNYMI

Chłodzenie wodne elektroniki jest obszarem niszowym i specjalistycznym, niemniej w wielu dziedzinach, takich jak sprzęt medyczny jest ono niezastąpione. Pojawia się w aplikacjach, gdzie trzeba odprowadzić dużą moc cieplną, a z różnych przyczyn nie da się użyć wentylatorów i radiatorów.

Poza medycyną pojawia się ono na farmach serwerów, w urządzeniach energoelektronicznych i telekomunikacyjnych. Gdy skala obiektu jest duża, takie rozwiązanie jest nierzadko korzystne od strony ekonomicznej, ponieważ pozwala na odbieranie ciepła od wielu elementów za pomocą jednego systemu.

Chłodzenie wodne jest tutaj nierzadko dobrym kompromisem po stronie kosztów. W ostatnim okresie widać wzrost zainteresowania takimi systemami, a po stronie ofert dostępność gotowych rozwiązań, zawierających wszystkie elementy, czyli pompę wodną, przewody, chłodnicę i radiator odbierający ciepło, tworzące spójną i pasującą do siebie całość, stale się poprawia.

Na rynku można znaleźć wiele produktów ukierunkowanych pod kątem wykorzystania w takich aplikacjach, np. radiatory z płaszczem wodnym, pompy cieczy, chłodnice zewnętrzne wraz z zespołem wentylatorów. Produkty takie są dostępne w różnych wymiarach i kształtach, co pozwala na dopasowanie ich do miejsca i panujących warunków zabudowy.

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 rodzajów, także w nowinkach technologicznych, czego materiały są najlepszym przykładem.

Poza nimi niezbędne są pompy cieczy, rury a także złącza pozwalające na wygodne budowanie i serwisowanie instalacji wodnych, np. na wymianę czynnika chłodzącego, rozbudowę lub wymianę elementów bez konieczności demontażu całości. Złącza do rurek zapewniające możliwość łatwego montażu łączenia elementów i z wbudowanym odcięciem zapobiegającym wyciekowi po rozłączeniu wydają się kluczowym elementem sprzyjającym inwestycji w takie rozwiązania.

Rozwiązania sprężarkowe układów chłodzenia, czyli pompy cieplne, to produkty specjalistyczne i wymagane w zastosowaniach, gdzie trzeba zapewnić chłodzenie dużej mocy przy wysokiej temperaturze otoczenia. Niemniej w wielu takich aplikacjach jak nietrudno zaobserwować, przyglądając się infrastrukturze stacji telefonii komórkowej, instaluje się zwykłe klimatyzatory typu split.

ZESTAWY WENTYLATOROWE I BLOKI CHŁODZĄCE

Poza wentylatorami na rynku dostępne są także bloki chłodzące zawierające kilka wiatraków umieszczonych we wspólnej obudowie wraz z układem sterującym. Są też wersje zawierające dopasowany konstrukcyjnie do wymagań chłodzenia wymuszonego radiator z dmuchawą.

Takie komplety najczęściej są dopasowane mechanicznie do instalacji w popularnych szafach i obudowach przemysłowych, mogą być też montowane w chassis typu rack. Wygoda użycia i uniwersalne wykonanie w postaci np. szuflady, którą można wsunąć niczym półkę pomiędzy sprzęt w szafie technicznej, powodują, że coraz powszechniej wykorzystuje się je w zastosowaniach przemysłowych.

RADIATORY

Niewątpliwie radiatory są produktem, który na rynku był i będzie zawsze, ale patrząc na oferty firm handlowych, nietrudno dojść do przekonania, że przełomowych zmian technicznych lub istotnych nowości specjalnie nie widać, a nawet jak się pojawią, to i tak po chwili zainteresowania wszystko wraca na utarte szlaki postępowania.

Wyjątkiem jest to, że generalnie radiatory z czasem stają się coraz mniejsze lub innymi słowy oferta rynku w zakresie małych radiatorów znacznie się w ostatnich latach polepszyła. Wraz z rozwojem oferty katalogowej szybko maleje znaczenie dostępności usług dopasowania radiatorów do wymagań aplikacji, jak cięcie, wiercenie i frezowanie. Po prostu oferta jest na tyle szeroka, że dobranie pasującego elementu nie jest trudne.

Najważniejsze cechy systemu chłodzenia lub grzania

 

Główne cechy dobrego systemu zarządzania ciepłem to zdaniem pytanych w ankietach specjalistów wydajność cieplna, niezawodne działanie i cicha praca, a w dalszej kolejności mała waga. Nietrudno zauważyć, że z przedstawionego zestawu nie da się wybrać produktów, które miały cztery takie cechy jednocześnie. Wybranie nawet trzech kryteriów wydaje się niemożliwe w zakresie jednego produktu związanego z chłodzeniem, realne są dwa z czterech, co powoduje, że systemy stają się kosztowne, złożone, a czasem zmagają się z jakością, w zależności od tego, na co postawi w swoich decyzjach konstruktor. Zaskakujące jest to, że duża odporność środowiskowa, a więc jedno z ważniejszych kryteriów technicznych dla urządzeń przemysłowych znalazła się na dole rankingu. Prawdopodobnie dlatego, że jest ona dla konstruktorów problemem tylko w przypadku wentylatorów.

Wysokie ceny metali wyeliminowały miedź z tych produktów i obecnie radiatory są praktycznie wyłącznie wykonywane z aluminium czernionego galwanicznie. Dodatkowo kształt profili jest nierzadko zoptymalizowany pod kątem minimalizacji wagi. Widać wyraźnie, że nowe opracowania mają znacznie cieńsze żeberka niż w starszych konstrukcjach, zwłaszcza te przeznaczone do chłodzenia wymuszonego.

OŚWIETLENIE LED TEŻ SPRZYJA

Jednym z czynników najbardziej szkodliwych dla trwałości LED i utrzymania przez nie wartości strumienia świetlnego jest temperatura struktury półprzewodnikowej emitującej światło. Praktycznie zawsze istnieje konieczność instalacji systemów chłodzenia w postaci pasków miedzi na laminacie FT4, obwodu MPCB, a więc specjalnego laminatu z rdzeniem metalowym a w dalszej kolejności radiatora. Wiele rozwiązań takich jak COB można także montować bezpośrednio na radiatorze.

Dla potrzeb oświetlenia LED producenci przygotowali specjalne wersje radiatorów, często projektowane specjalnie dla wybranych rodzin LED, co ułatwia i przyspiesza prawidłowy dobór ich parametrów do wymogów LED.

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 opanowanych w szczegółach lata temu. Dużo 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.

Niektóre można dodatkowo wesprzeć wentylatorem, co pozwala zmniejszyć objętość części metalowej, ale wiąże się ze sporymi niedogodnościami wywołanymi konicznością zapewnienia otwartego obiegu powietrza i hałasem. Z tego powodu jest to rozwiązanie stosowane głównie w aplikacjach profesjonalnych, np. oświetleniu scenicznym.

GRZANIE

Zapotrzebowanie na systemy grzania wynika z coraz większej penetracji elektroniki w zastosowaniach, gdzie pracuje ona na zewnątrz. Ich zadanie to łagodzenie wahań temperatury, ograniczenie możliwości kondensacji wilgoci, szronu lub lodu, zapewnienie stałości parametrów procesów a nawet dobrego działania wyświetlaczy LCD, które w niskich temperaturach stają się wolne.

Takie rozwiązania konieczne są też w aplikacjach w transporcie drogowym i szynowym, urządzeniach infrastruktury drogowej, systemach monitoringu i bezpieczeństwa. Systemy grzania są przeznaczone do instalacji w szafkach instalacyjnych lub obudowach sprzętu pracującego pod chmurką: kamer monitoringu, systemów mechanicznych w automatach sprzedaży, systemów parkingowych i kontroli dostępu oraz wielu innych podobnych rozwiązań.

Grzanie od strony asortymentu i oferty rynku jest znacznie słabiej zarysowane, bo grzać jest dużo łatwiej niż chłodzić i w wielu przypadkach nie trzeba specjalnych rozwiązań.

Prezentacje przykładowych firm powiązanych z tematyką tej analizy znajdują się na stronie: