Гибридные теплоотводы для оптимального охлаждения встраиваемых систем

Разработчики встраиваемых систем — от плат и модулей, используемых в самом современном оборудовании связи и сетей, до различных передовых решений — сталкиваются с проблемой теплоотвода. Современные полупроводниковые устройства рассеивают большое количество тепловой мощности, что приводит к значительному нагреву системы.
В случае если бы имелось дополнительное пространство для охлаждения компонентов, разработчикам не потребовалось бы искать новые методы охлаждения. Однако такая возможность отсутствует — в лучшем случае это пространство не уменьшается от проекта к проекту.

Во многих современных встраиваемых приложениях вопрос об отводе тепла побуждает разработчиков заменять алюминиевые радиаторы (см. рис. 1) намного меньшими, но более тежёлыми медными моделями. Разработчики сталкиваются с тем, что даже алюминиевые конструкции большого размера часто не годятся для таких приложений из-за относительно невысокой способности рассеивать тепло, что ограничивает суммарную эффективность теплоотвода.
Благодаря тому, что коэффициент теплопроводности меди почти в два раза превышает этот показатель у алюминия, медные радиаторы намного более эффективны для рассеивания тепла. Кроме того, теплоёмкость меди на 40% больше, чем у алюминия, и это значит, что динамические тепловые нагрузки лучше регулируются с помощью медных радиаторов.
Тем не менее медные теплооотводы обладают двумя существенными недостатками — они значительно тяжелее и дороже алюминиевых. Гибридный вариант сочетает эффективность рассеяния тепла медных радиаторов, относительную дешевизну решения и значительно меньший вес.

Для снижения тепловых нагрузок, возникающих при эксплуатации современных полупроводниковых устройств во встраиваемых приложениях, требуется достаточно большая площадь поверхности радиаторов, что достигается за счёт их высоких рёбер. Однако во многих случаях такие распространённые стандарты как PCI Express, Compact PCI и ATCA накладывают серьёзные ограничения на размеры компонентов платы, в т.ч. на радиаторы, которые должны быть невысокими.
Развитая площадь поверхности в низкопрофильных системах достигается за счёт увеличения посадочной площади компонентов, а не их высоты, что существенно увеличивает площадь основания радиаторов.
Таким образом, низкопрофильные радиаторы с большим посадочным местом всё чаще применяются во встраиваемых приложениях. Использование одного радиатора для охлаждения нескольких устройств является стандартным решением, позволяющим максимально увеличить площадь поверхности теплоотвода.
Однако разработчики испытывают трудности в тех случаях, когда основание радиатора значительно превышает размер корпуса микросхемы, на которой он располагается. В результате большая часть площади радиатора используется неэффективно, т.к. рассеивает относительно малое количество тепла.
В этих случаях использование алюминиевого радиатора нецелесообразно из-за недостаточной скорости рассеяния тепла, чего нельзя сказать о приспособлении из меди. Чтобы понять причину этого, рассмотрим тепловые свойства металлов для теплоотводов на примере медного и алюминиевого сплавов CDA 110 и AL 1100, соответственно, которые используются в производстве пластинчатых радиаторов.
Соотношение удельных теплопроводностей сплава CDA 110 и AL 1100 составляет 2,712/1,510. Следовательно, радиатор на основе сплава CDA 110 на 80% эффективнее отводит тепло, чем на основе алюминиевого сплава. Как уже говорилось, такое повышение скорости тепловой отдачи происходит за счёт увеличения веса радиатора — плотность сплава CDA 110 в 3,1 раза больше, чем AL 1100.
Медные теплоотводы часто используются для охлаждения нескольких устройств, где требуется быстрая передача тепла от одной части радиатора к другой.

Рассчитывая эффективность теплоотвода, необходимо отличать общую охлаждающую способность от способности радиатора рассеивать тепло. Охлаждающую способность радиатора обычно описывают с помощью его теплового сопротивления, которое определяется как соотношение разности температур к количеству переданного тепла (°C/Вт). Чем ниже тепловое сопротивление, тем выше охлаждающая способность теплоотвода.
Если способность рассеивать тепло, главным образом, зависит от удельной теплопроводности металла, то тепловое сопротивление является функцией нескольких факторов, включая удельную теплопроводность, а также площадь поверхности радиатора, обдув его воздухом, геометрию плас-
тин и т.д.
Разработчикам встраиваемых сис­тем нет необходимости разбираться во всех тонкостях конструкции радиатора — достаточно понять в целом, как охлаждающая способность или тепловое сопротивление отличаются от способности рассеивать тепло, и знать основные эмпирические правила, касающиеся медных теплоотводов.
Разработчики встраиваемых систем должны понимать, в частности, как использование меди влияет на тепловое сопротивление радиатора. Из двух моделей с идентичными конструкциями, одна из которых сделана из алюминия, а другая — из меди, вторая всегда обладает меньшим тепловым сопротивлением.
Однако фактическое снижение величины теплового сопротивления наилучшим образом достигается в тех случаях, когда радиатор больше охлаждаемого полупроводникового устройства. Чем больше разница между посадочными площадями устройства и радиатора, тем лучше рассеивается тепло и больше разность между тепловым сопротивлением медного и алюминиевого радиаторов.

Для тех применений, в которых трудно обеспечить рассеивание тепла, гибридные радиаторы являются привлекательной альтернативой моделям, целиком состоящим из меди. Гибридные радиаторы имеют различные размеры и конфигурации, но используются они всегда по одному принципу — их основание, контакирующее с устройством, сделано из меди, а остальные части — из алюминия.
В силу того, что рассеивание тепла происходит вдоль основания радиатора, гибридные модели обеспечивают ту же эффективность рассеивания, что и целиком медные конструкции, и обладают сходной охлаждающей способностью. В то же время гибридные радиаторы имеют значительно меньший вес и стоимость по сравнению с медными конструкциями.
Для встраиваемых приложений вес этих компонентов имеет важное значение. Кроме того, использование тяжёлых теплоотводов затрудняет их установку и соблюдение требований по устойчивости к вибрациям. Говоря другими словами, монтаж более тяжёлого медного радиатора может быть гораздо сложнее, в то время как гибридный теплоотвод не оказывает столь нежелательного эффекта на вес платы.
В качестве примера различия в весе медной и гибридной конструкций можно привести широко распространённые модели пластинчатых радиаторов. Вес 8,0×8,0×1,0-дюймового теплоотвода более чем в два раза превышает вес гибридной модели с аналогичной конструкцией.

Для демонстрации рабочих характеристик гибридных радиаторов был проведён эксперимент, в котором сравнивалась эффективность конструкций радиаторов, выполненных из меди, алюминия и сплава медь-алюминий (см. рис. 2). В эксперименте сравнивались такие типичные для встраиваемых систем параметры как размеры радиаторов, размеры охлаждаемого устройства и рассеиваемые тепловые нагрузки.

Рис. 2. Стандартный гибридный (медь/алюминий) пластинчатый радиатор

В эксперименте использовались пластинчатые радиаторы одинаковой конструкции с основанием 4×4 дюйма, высотой 0,4 дюйма и 900 выводами диаметром 0,07 дюйма. Модель гибридного радиатора состояла из двух соединённых секций. Толщина нижней части основания составляла 0,1 дюйма; толщина алюминиевой части конструкции равнялась 0,3 дюйма.
Эксперимент проводился трижды в соответствии с количеством моделей. В каждом случае радиатор помещали на верхнюю часть источника тепла размерами 0,5×0,5 дюйма и мощностью рассеивания 40 Вт. Теплоотвод размещали таким образом, чтобы источник тепла находился в точности посередине основания радиатора. Радиатор помещали перед вентилятором, обеспечивавшем скорость воздушного потока равную 300 фут/мин. Измерение температуры теплоотвода проводилось после её стабилизации и определялось, насколько она выше температуры окружающей среды.
Эксперимент с алюминиевым радиатором показал, что его температура превышала температуру окружающей среды на 23,2°C; соответствующее тепловое сопротивление — 0,58°C/Вт. Для медной конструкции эти показатели составили 23,2°C и 0,51°C/Вт, а для гибридного — 20,9°C и 0,52°C/Вт.
Видно, что параметры медного и гибридного радиаторов почти совпали и превзошли параметры алюминиевого радиатора, что указывает на важность более быстрого рассеивания мощности вдоль основания. В то же время гибридный теплоотвод весил на 24% меньше модели, целиком выполненной из меди.
Для более убедительной демонстрации эффекта теплового рассеивания в угловую часть каждого радиатора, наиболее удалённую от теплового источника, поместили вторую термопару. Общие результаты теста представлены в таблице 1.

Результаты эксперимента показали, что у медного и гибридного радиаторов распределение температуры по площади значительно однороднее, чем у алюминиевого.

Равномерное распределение температуры по поверхности радиатора свидетельствует о том, что он функционирует эффективно, хорошо рассеивая тепло.

По мере роста тепловых нагрузок во встраиваемых системах становится чрезвычайно трудным обеспечить необходимое охлаждение с помощью стандартных алюминиевых радиаторов. Во многих случаях гибридные радиаторы позволяют решить эту задачу, отвечая требованиям по тепловой эффективности, размерам, весу и стоимости.