Podzespoły elektroniczne

Zarządzanie ciepłem w elektronice

Płytka drukowana staje się radiatorem

Przy małej mocy wydzielanej do rozproszenia ciepła często wystarcza folia miedziana na płytce drukowanej. Takie chłodzenie popularyzuje się na skutek coraz lepszej dostępności i niższych cen obwodów wielowarstwowych. W ramach płytki dwustronnej na radiator tego typu można było sobie pozwolić w mało skomplikowanych układach, gdzie mozaika ścieżek była prosta i zostawało wiele pustego miejsca. To rzadki przypadek. W obwodach wielowarstwowych można wszystkie połączenia ukryć na warstwach wewnętrznych, a na dużej części zewnętrznych warstw wydzielić obszary chłodzące. Dodatkowo płytkę można połączyć termicznie z obudową mostkiem z użyciem pianki termoprzewodzącej lub zalać całość układu zalewą o takich właściwościach. W przypadku, gdy ciepła jest więcej, można też próbować sięgnąć po laminaty z grubą warstwą miedzi lub z rdzeniem metalowym (MPCB), jak w modułach LED-owych. Takie podejście jest coraz popularniejsze.

Najważniejsze dla klientów cechy ofert brane pod uwagę przy wyborze dostawcy komponentów i materiałów do zarządzania ciepłem

 

Zestawienie najważniejszych kryteriów selekcji ofert handlowych w obszarze zarządzania ciepłem jest typowe i kompletnie niezaskakujące. Cena, jakość i parametry techniczne produktów zawsze są na szczycie takich zestawień. Czasem zmienia się tylko kolejność lub proporcje i tak jest również teraz. To, że tym razem na trzecie miejsce awansowało kryterium "termin dostawy", to jak wiadomo znak obecnych trudnych czasów i zapewne też jest to czynnik sezonowy, który z czasem straci na znaczeniu. Szeroka dostępna oferta produktów u jednego dostawcy to cecha oczekiwana w stosunku do dystrybutorów wielu wyrobów, podobnie jak kompetencje techniczne i wparcie.

Chłodzenie całości urządzenia

Przy rozważaniach 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 kilku elementach mocy.

Faktem jest, że rozwój technologii półprzewodnikowej jest dzisiaj bardzo dynamiczny, a nowe wersje komponentów zapewniają znacznie większą sprawność i nie grzeją się tak bardzo, aby stanowiły w urządzeniach jeden gorący, centralny punkt. Nowe tranzystory mocy z azotku galu lub węglika krzemu nie tylko zapewniają małe straty podczas komutacji i przewodzenia, ale także mogą pracować w wyższej temperaturze niż krzemowe odpowiedniki, więc nie trzeba ich tak efektywnie chłodzić. Co więcej, elementów grzejących się jest znacznie więcej niż dawniej. Miejsce jednego, dwóch tranzystorów zajęły dzisiaj obwody, w których stopień mocy zawiera nawet kilkanaście tranzystorów. Co więcej, elementy często łączy się równolegle dla zwiększenia obciążalności. Tak jest w falownikach, napędach silników, układach BMS akumulatorów i wielu innych miejscach.

Ważne i poszukiwane produkty

 

Ważne i poszukiwane produkty w obszarze zarządzania ciepłem to materiały termoprzewodzące, radiatory metalowe oraz wentylatory i dmuchawy, które wyraźnie wybijają się nad całą resztę, jeśli chodzi o znaczenie. Reszta produktów ma wyraźnie mniejsze wskazania, co jest oczywiście pochodną ich specjalistycznego profilu aplikacyjnego. Warto dostrzec pojawienie się w zestawieniu systemów chłodzenia akumulatorów, które zyskują na znaczeniu razem z popularyzacją transportu elektrycznego. Uzyskanie dużej wydajności pakietów akumulatorowych wiąże się z zapewnieniem ich chłodzenia, stąd rozwiązania takie stają się na rynku poszukiwane.

Efekt jest taki, że ciepło wydzielane jest bardziej równomiernie. Do tego grzeją się elementy indukcyjne, a więc transformatory i dławiki, kondensatory w filtrach wyjściowych, a także szybkie układy cyfrowe. Elementy są ciasno upakowane na płytkach drukowanych i każde miejsce na laminacie jest zagospodarowane. W ten sposób te cieplejsze komponenty podgrzewają całą resztę i tym samym chłodzenie przestaje być domeną podzespołów mocy – raczej nagrzewa się cała płytka. W takim przypadku trzeba zmienić podejście do chłodzenia, np. całą płytkę przykleić do radiatora lub ścianki obudowy za pomocą materiału termoprzewodzącego.

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 tych produktów, które są kluczowe w tym obszarze zastosowań, gdyż decydują o wydajności chłodzenia.

Najważniejszy potencjał rynkowy mają

 

Największy potencjał rynkowy kryje się w materiałach termoprzewodzących, systemach chłodzenia akumulatorów oraz rozwiązaniach do zarządzania ciepłem w oświetleniu ledowym. Mimo tak uformowanej czołówki, różnice między poszczególnymi kategoriami na wykresie nie są duże, co przekonuje, że rynek jest różnorodny i nie ma jednej dominującej technologii.

Materiały termoprzewodzące

Materiały termoprzewodzące to ogólnego przeznaczenia pasty o różnej rezystancji termicznej, a także wypełniacze szczelin, zalewy i żele, które różnią się pomiędzy sobą gęstością, sposobem aplikacji i także zastosowaniem. Są też materiały PCM z przemianą fazową, które mają lepsze właściwości cieplne w porównaniu do równoważnych rozwiązań tradycyjnych. Poza materiałami bezpostaciowymi są oczywiście jeszcze folie i gotowe podkładki tego typu, także grube, ale elastyczne i przypominające gąbkę wypełniacze szczelin (gap filler). Ważnym atutem taśm i folii termoprzewodzących jest to, że zapewniają potrzebną izolację galwaniczną, co pomaga w zapewnieniu bezpieczeństwa użytkowania.

Pojawiające się na rynku nowe opracowania taśm i folii termoprzewodzących, klejów, past i podkładek charakteryzują się coraz większym przewodnictwem ciepła. Jest to bardzo ważny proces, gdyż ułatwia integrację elektroniki mocy. Zmagający się z ciepłem konstruktorzy niechętnie sięgali po folie termoprzewodzące lub kleje, gdyż były one mało efektywne i nie sprawdzały się, gdy ciepła trzeba było odprowadzić dużo. To już przeszłość.

Chłodzenie cieczą

Chłodzenie wodne elektroniki w zakresie aplikacji dużych mocy jest znanym od lat sposobem chłodzenia i odprowadzania ciepła. Transformatory zanurzone w oleju, półprzewodniki mocy zamontowane na radiatorze z kanałami, przez które przepływa ciecz, to rozwiązanie wydajne, ciche i bardzo trwałe. Pozwala odprowadzić dużą ilość ciepła na dużą odległość i zapewnić stabilne warunki pracy urządzenia nawet w bardzo trudnych warunkach środowiskowych. Systemy chłodzenia wodnego są w stanie zapewnić także niezbędny kompromis po stronie kosztów rozwiązania i masy systemu chłodzącego w systemach, gdzie ilość wydzielanego ciepła jest duża. Część odbierająca ciepło wewnątrz obudowy jest niewielka, nie zajmuje więc cennego miejsca i nie ogranicza cyrkulacji powietrza.

Najważniejsze cechy systemów zarządzania ciepłem

 

Główne cechy dobrego systemu zarządzania ciepłem to niezawodne działanie, duża wydajność cieplna i cicha praca, a w dalszej kolejności odporność środowiskowa oraz mała waga. Dominuje zatem podejście utylitarne, w ramach którego chcemy osiągnąć kilka istotnych cech jednocześnie. Drugim spostrzeżeniem może być to, że wentylatory w takim rankingu wypadają za każdym razem kiepsko. Reklamowym hasłem ostatnich lat w komputerach przemysłowych było określenie bezwentylatorowy. Dzisiaj wentylator to rzadkość, a powoli zbliża się czas na sprzęt "bezradiatorowy".

Pomijając zastosowania dużej mocy, cała reszta związana z chłodzeniem cieczą to aplikacje niszowe i specjalistyczne, np. używane w sprzęcie medycznym, farmach serwerów i w sprzęcie telekomunikacyjnym. Gdy skala instalacji jest duża, takie rozwiązanie jest nierzadko korzystne od strony ekonomicznej, ponieważ pozwala na odbieranie ciepła od wielu elementów za pomocą jednej instalacji, która oplata wszystkie gorące punkty.

Wadą takiego chłodzenia jest skomplikowanie i duże wymiary całości, gdyż składa się ono z pompy, przewodów transportujących ciecz, chłodnicy i radiatora odbierającego ciepło. Kłopotliwe jest też napełnianie, a więc obsługa techniczna oraz serwis. Niemniej w sytuacji, gdy konieczne jest zapewnienie wydajnego chłodzenia w systemie zamkniętym, wewnątrz szczelnie zamkniętych szaf, takie rozwiązania pozwalają na zachowanie wysokiego stopnia ochrony środowiskowej tych ostatnich, są one najczęściej jedynym dostępnym wyborem.

Najważniejsze zjawiska pozytywne dla rozwoju rynku

 

Wśród najważniejszych czynników sprzyjających rozwojowi rynku znalazły się pojęcia takie jak energooszczędność rozwiązań oraz rosnące wymagania klientów, a także miniaturyzacja i wzrost presji na jakość oraz oddziaływanie ze strony aplikacji profesjonalnych. Sporo wskazań padło też na szybko poszerzającą się ofertę w zakresie 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. Systemy chłodzenia mają wiele ograniczeń, dlatego projektanci starają się znaleźć kompromis przez użycie różnych typów produktów.

Elektromobilność a chłodzenie cieczą

Bardzo możliwe, że nowym obszarem aplikacyjnym dla chłodzenia cieczą stanie się elektromobilność. Baterie akumulatorów montowane w pojazdach o napędzie elektrycznym wymagają dobrego chłodzenia. Ciasno upakowane ogniwa oraz duże prądy płynące w takich obwodach powodują wydzielanie ciepła, które trzeba odprowadzić. Ogniwa grzeją się podczas pracy i ładowania i to znacznie, a z punktu widzenia użytkowego bateria takich ogniw nie może być duża, gdyż nie dałoby się jej zintegrować w pojeździe.

Znalezienie kompromisu dla małej objętości, dużej wydajności prądowej zapewniającej nie tylko dynamikę samochodu, ale także możliwość szybkiego ładowania, a także dużej pojemności akumulatora, przekładającej się na zasięg, wymusza często chłodzenie cieczą. Nie bez znaczenia jest też konieczność zapewnienia bezpieczeństwa elektrycznego oraz w zakresie niekontrolowanego (lawinowego) wzrostu temperatury. Ogniwa litowe trzeba chłodzić, gdyż inaczej mogą się zapalić, z kolei w niskich temperaturach trzeba je podgrzewać, gdyż wówczas dostępna pojemność znacznie się zmniejsza.

W samochodach hybrydowych chłodzenie udaje się zrobić za pomocą strumienia powietrza i wentylatorów, gdyż bateria jest mniejsza, a gdyby się za bardzo nagrzała, to zawsze można ją odłączyć i używać wyłącznie silnika spalinowego. Chłodzenie w samochodach elektrycznych baterii ogniw coraz częściej polega na zalaniu całości układu płynem freonowym. Z jednej strony umożliwia on sprawne odprowadzanie ciepła, z drugiej zapewnia dobrą izolację elektryczną. Jest to chyba najnowsza odsłona systemów chłodzenia cieczą.

Chłodziarki termoelektryczne i przewody cieplne

Gdy konieczne jest schłodzenie małego elementu poniżej temperatury otoczenia takiego jak detektor półprzewodnikowy, a do tego ciepła nie wydziela się dużo, rozwiązaniem jest chłodziarka termoelektryczna. Nie zapewnia ona dużej wydajności transportu energii cieplnej i pobiera dużą moc zasilającą, ale nie ma ruchomych części mechanicznych i pozwala obniżyć temperaturę elementu poniżej temperatury otoczenia. To jej główna zaleta.

Kolejnym niszowym elementem do odprowadzania ciepła są przewody cieplne (heatpipe), czyli miedziane rurki wypełnione porowatym materiałem i zalane cieczą, i niskiej temperaturze wrzenia. Jest to doskonale znane rozwiązanie z laptopów, w których odbierają one ciepło od procesora i przenoszą do oddalonego wymiennika.

Najważniejsze czynniki negatywne dla rynku

 

Na liście najważniejszych zjawisk przeszkadzających w rozwoju rynku górne miejsce zajęły długie czasy dostaw, które od ponad roku są głównym problemem branży elektronicznej oraz zawirowania w biznesie wywołane wojną i pandemią. Poza czynnikami związanymi z warunkami w gospodarce, dalej już mamy typowe problemy: dużą konkurencję, tanie i kiepskie produkty oraz wysokie ceny. Metale takie jak aluminium i miedź znacząco podrożały, co wywołało duży skok cen radiatorów.

Wadą rurek jest ograniczona skuteczność do wąskiego zakresu temperaturowego narzucanego przez parametry cieczy znajdującej się wewnątrz miedzianej rurki oraz stosunkowo niską wydajność transmisji ciepła. Kolejna wada polega na tym, że sens ich użycia jest wówczas, gdy mamy w aplikacji jeden gorący element oddalony od ściany obudowy lub innego miejsca, które może zapewnić wymianę ciepła z otoczeniem.

Na plus należy zapisać, że oferta rynku i dostępność takich produktów poprawiła się, w ostatnich latach, a ponieważ w urządzeniach elektronicznych ciepła do odprowadzenia jest coraz mniej, nawet przy ograniczonych możliwościach jego transportu przez przewody cieplne, udaje się zapewnić skuteczność działania.

Wentylatory stosujemy z niechęcią

Wentylatory stają się produktem, od którego się stopniowo odchodzi z uwagi na ich ograniczoną trwałość, generowany hałas oraz trudność zapewnienia odporności środowiskowej. Często ciepło udaje się rozproszyć za pomocą konwekcji i przewodzenia i nie ma potrzeby sięgania po takie rozwiązania mechaniczne. Czasem wentylator jest, ale w normalnych warunkach pracy nie jest on aktywny i uruchamia się go dopiero przy dużym obciążeniu lub też przy wysokiej temperaturze otoczenia. Te procesy dotyczą urządzeń konsumenckich oraz małych aplikacji przemysłowych. Rozwiązania przemysłowe, energoelektronika, IT, medycyna nie mogą się bez nich obejść, ale stawiają tym produktom coraz większe wymagania. Stąd w ofertach dostawców tanie wentylatory zastąpiły wersje 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. Regulacja obrotów za pomocą PWM, kontrola wirowania za pomocą czujnika obrotów też jest standardem, bo pozwala na sygnalizację awarii, czyli w praktyce zatarcia łożyska.

Zasadnicza część rynku wentylatorów to jednostki o wymiarach od 25×25 mm do 120×120 mm o kilku różnych grubościach, a więc też wydajności rozumianej jako przepływ powietrza. W ramach jednego wymiaru można jeszcze wybierać ułożyskowanie oraz napięcie zasilania. Są też wentylatory okrągłe i dmuchawy, co razem daje grubo minimum kilkadziesiąt dostępnych wersji. Mniejsze wentylatory, tj. do 20×20 mm, wykorzystywane są do chłodzenia elementów optycznych (kamer, czujników promieniowania podczerwonego), jednostki większe niż 120×120 mm, w tym rozwiązania zasilane napięciem sieci, to z kolei domena aplikacji przemysłowych. Są one montowane w szafach jako centralny element wymiany ciepła dla całego zainstalowanego systemu.

Radiatory są coraz mniejsze

Radiatory to produkt dojrzały technologicznie i doskonale znany. W przeważającej części są one wykonywane z aluminiowych profili, często czernionych galwanicznie dla wzmocnienia transportu ciepła przez emisję promieniowania. Wysokie ceny metali wyeliminowały miedź z tych produktów i obecnie radiatory są praktycznie wyłącznie wykonywane z aluminium. W ostatnich miesiącach były poważne problemy z dostępnością i jeszcze silniej rosnącymi cenami. Po ponad dwukrotnych podwyżkach cen tych sytuacja ustabilizowała się, zapewniając przewidywalność biznesu w okresie kilku tygodni, co nie zmienia tego, że produkty te stały się bardzo drogie.

Radiatory, podobnie jak wiele innych podzespołów elektronicznych, występują na rynku w bardzo wielu typach i rozmiarach, co sprawia szereg trudności w utrzymaniu przez dostawców stanów magazynowych dla całości oferty. W wielu przypadkach istotne są nawet drobne różnice w kształcie użebrowania, które pozwalają na modyfikację rezystancji termicznej w zależności od typu chłodzenia wymuszonego lub konwekcyjnego. Taka ograniczona dostępność, przekładająca się na długie czasy dostaw niektórych profilów oznacza najczęściej, że projektanci muszą z konieczności używać radiatorów, które są dostępne zamiast wybranych modeli.

Mimo że w przypadku radiatorów trudno mówić o dużej komplikacji technicznej produktu lub też o wysokim potencjale technologicznym, to jednak są to elementy przez cały czas rozwijane przez producentów i dopasowywane do potrzeb współczesnych aplikacji. Producenci sprzedają obecnie więcej małych radiatorów, które dominują w elektronice powszechnego użytku oraz duże profile przeznaczone do pracy w układach energetycznych dużej mocy.