Maradjunk higgadtak! Alapvető tudnivalók a hűtőbordák kiválasztásáról és használatáról

A legtöbb elektronikai alkatrész (de főképp a mikroprocesszorok és mikrovezérlők) méreteinek folyamatos csökkenése a hősűrűség növekedését hozta magával. Ezen fejlődési folyamat következményeként a termikus szempontból történő tervezés, és a működés közben termelődő hő elvezetése az egyik legfontosabb tervezési szemponttá vált, mert a várható élettartam, a megbízhatóság, de a teljesítmény is fordítottan arányos az eszköz üzemi hőmérsékletével. A tervezőknek ezért teljesen tisztában kell lenniük a hatékony hőelvezetés alapelveivel, és ismerniük kell a lehetséges hűtőbordás megoldásokat, hogy az eszközök üzemi hőmérsékletét a gyártó által megadott határokon belül tarthassák.

A hűtőbordák működésének alapelve az, hogy megnövelik azt a felületet, amelyen keresztül az eszközök érintkeznek a hűtőközeggel (levegővel). Egy megfelelően felszerelt hűtőborda csökkenti a hűtött eszköz hőmérsékletét azáltal, hogy a szilárdanyag-levegő határfelületnél javítja a hűvösebb környezeti levegő irányába történő hőátadást.

Ez a cikk áttekinti a hűtőbordák kiválasztását, valamint útmutatást nyújt arról, hogy helyes tervezéssel, az alkatrészek megfelelő kiválasztásával és a bevált módszerek alkalmazásával hogyan érhető el kiváló hűtési teljesítmény. Gyakorlati példákat az Ohmite hűtőbordáin keresztül mutat be.

A termikus helyettesítő kapcsolási rajz

Egy integrált áramkörön (IC-n) belül teljesítményveszteségre az aktív tranzisztor pn-átmeneteinél kerül sor, és ez a veszteség hő formájában jelentkezik. A pn-átmenet hőmérséklete egyenesen arányos a disszipált energia mennyiségével. A katalógusadatok között a gyártók megadják a pn-átmenet maximális hőmérsékletét, bár ez általában 150°C körül van. Ezen hőmérséklet túllépése esetén az eszköz általában károsodik, ezért a tervezőknek olyan megoldásokat kell keresniük, amelyekkel a lehető legtöbb hő elvezethető az IC-ről. Ehhez egy meglehetősen egyszerű modellre hagyatkozhatnak, amellyel – Ohm-törvényéhez hasonló villamos analógiára épülve – a θ-val jelölt hőellenállás modellezhető (1. ábra).

1. ábra Egy hűtőbordával ellátott IC termikus helyettesítő képe, ahol θ a hőellenállásak felel meg. (Kép: DigiKey)

A hőellenállás az az ellenállás, amely akadályozza a hőnek az egyik közegből egy másikba való áramlását. Mértékegysége a °C/W, és a következő egyenlettel definiálják:

 1. egyenlet

Ahol:

θ egy termikus határfelület hőellenállása °C/W mértékegységben.

∆T a termikus határfelület két felülete közötti hőmérsékletkülönbség °C-ban.

P a pn-átmenetben keletkező hőveszteség wattban.

Ha megnézzük az IC és a hűtőborda fizikai kialakítását, akkor számos hőátadási felületet láthatunk. Az első a pn-átmenet és az IC tokozása közötti rész, amelyet a θ_jc hőellenállás jelöl.

A hűtőborda egy hővezető anyag – hőpaszta vagy hőszalag – segítségével rögzül az IC-hez, és az a két felület közötti hővezetés elősegítésére szolgál. Mivel ennek a rétegnek a hőellenállása alacsony, ezért azt általában belefoglalják a θ_cs-vel jelölt tok-hűtőborda közötti hőellenállásba. Az utolsó szakasz a hűtőborda és a külső környezet közötti határfelület, a θ_sa.

A villamos áramkörökben sorba kapcsolt ellenállásokkal analóg módon a hőellenállások is egymással összeadódnak. Az egyes hőellenállások összeadásával megkapjuk a pn-átmenet és a környezeti levegő közötti teljes hőellenállást.

Az átmenet-tok közötti hőellenállás értékét az IC gyártója általában közvetett vagy közvetlen módon megadja. Katalógusadatként megadható például a tok maximális hőmérséklete, törölve ezzel az egyik hőellenállást. Az IC-t használó tervező semmilyen módon nem tudja befolyásolni az átmenet-tok közötti hőellenállási karakterisztikát. A kellő IC-hűtés biztosításához azonban meg tudja választani a hővezető anyagot és a hűtőbordát úgy, hogy a pn-átmenet hőmérséklete a megadott maximum alatt maradjon. Általában minél alacsonyabb a hővezető anyag és a hűtőborda hőellenállása, annál alacsonyabb lesz a hűtött IC tokjának hőmérséklete is.

Példa a hűtőborda kiválasztására

Hűtőbordákként az Ohmite a BG sorozatot kínálja, amelyek tagjai a négyszögletű lábnyomú ball grid array (BGA) vagy plastic ball grid array (PGBA) tokozású központi feldolgozó egységekkel (CPU-kkal), grafikus feldolgozó egységekkel (GPU-kkal) vagy hasonló processzorokkal való használatra alkalmasak (2. ábra).

2. ábra A BG sorozatú hűtőbordák CPU-khoz, GPU-khoz és más hasonló négyszögletes lábnyomú BGA tokozású IC-khez alkalmasak. (Kép: Ohmite)

A sorozat tíz különböző formájú és kialakítású hűtőbordát tartalmaz, melyek az elterjedt IC-méretekkel kompatibilisek, a 15 x 15 milliméteresektől kezdve a 45 x 45 mm-ig, míg a bordák felülete 2060–20 893 mm² között mozog (1. táblázat). Ezek az RoHS-előírásoknak megfelelő hűtőbordák fekete eloxált 6063-T5 típusú alumíniumötvözetből készülnek.

1. táblázat A BG sorozat tagjai 2060–20 893 mm² közötti hűtési felülettel rendelkeznek. (Táblázat: DigiKey)

A táblázatban szereplő hőellenállási értékek a természetes konvekcióval leadott hőátadásra vonatkoznak. Ventilátorral elősegített mesterséges konvekció esetén a hőellenállás a hűtésre használt levegő áramlási sebességével arányosan csökken. Mesterséges konvekcióval történő hűtéssel a hőellenállás akár két-háromszorosra csökkenthető (3. ábra).

3. ábra Az Ohmite BG sorozatú hűtőbordáinak hőteljesítménye mesterséges konvekcióval történő hűtés esetén. (Kép: Ohmite)

Hővezető anyagok

Az Ohmite BG sorozat esetében az IC tokja és a hűtőborda közötti hővezető anyagként egy kétoldalas hőszalagot alkalmaznak, amely a hűtőbordával együtt szállítva érkezik. A kétoldalas szalag egyszerűvé teszi a rögzítést, mivel a szalagot mechanikailag nem kell semmilyen formában átalakítani vagy módosítani.

A hővezető anyagoknál általában a hővezetőképességüket adják meg W/m°C vagy W/m°K mértékegységben. A hővezető anyagból képzett réteg hőellenállása függ a szalag vastagságától és annak felületétől. A hőellenállást az alábbi egyenlet segítségével lehet kiszámítani:

 2. egyenlet

Ahol:

A vastagságot méterben számoljuk.

A területet m²-ben.

A hővezető képességet pedig W/m°C vagy W/m°K mértékegységben.

Mindegy, hogy Celsiust vagy Kelvint használnuk, mert mindkét mértékegységnél a hőmérséklet azonos egységekként változik, és az egyenletben a hőmérséklet-különbség kiszámításáról van szó. (Pl. 10°C hőmérsékletváltozás ugyanannyi, mint 10°K hőmérsékletváltozás.)

Ha az Ohmite BGAH150-075E 15 x 15 x 7,5 mm-es hűtőbordáját nézzük (amely egy 15 x 15 mm méretű eszközhöz van rögzítve), a hővezető anyag területe 225 mm² (225 E^-6 m²). A hűtőbordával együtt mellékelt hővezető szalag vastagsága 0,23 mm (0,00023 m). A megadott hővezető képesség 1,4 watt/m°K. Ezeknek az értékeknek a 2. egyenletbe történő behelyettesítésével a következőket kapjuk:

 3. egyenlet

A hővezető anyag hőellenállása általában jóval kisebb, mint a hűtőbordáé, és arányosan alacsonyabb lesz a nagyobb lábnyomú hűtőbordák esetében.

Ha azt szeretnénk meghatározni, hogy mekkora minimális hőellenállású hűtőbordát kell használni ahhoz, hogy egy IC hőmérséklete a megadott határértékén belül maradjon, akkor magából az IC-ből kell kiindulnunk. Vegyünk például egy 15 x 15 mm méretű IC-t, amelynek maximális tokhőmérséklete 85°C, hővesztesége normál üzemmódban 2 W, és amely egy 45°C-os környezeti hőmérsékletű szekrényben működik.

A processzor teljesítményveszteségét nehéz meghatározni, mivel az széles skálán mozgó üzemmódokban működhet. Bizonyos gyártók ezt a terhelés alatti tipikus fogyasztás (thermal design power vagy TDP) paraméter megadásával próbálják egyszerűsíteni. A TDP az a teljesítményveszteség, amely az IC-re egy „igazi alkalmazás” futtatásakor jellemző. Van némi vita, hogy ezen minősítési módszer mennyire használható, mivel az alkalmazástól függő. A maximális energiaveszteség meghatározható abból is, ha megnézzük a CPU lokális tápforrásainak áramfelvételét a tápegységből. Ez az érték magasabb lehet, mint a TDP paraméterrel megadott hőveszteség. A tervezőknek a gyártó által megadott műszaki adatokat kell megvizsgálniuk, ha a legpontosabban szeretnék megbecsülni egy-egy IC névleges hőveszteségét.

Előbbi példánkhoz visszatérve, a szükséges hűtőborda és hővezető együttes minimális hőellenállása (θ) meghatározható a 4. egyenlet segítségével:

 4. egyenlet

Az Ohmite BGAH150-075E hőellenállása 18°C/W, a hővezető anyagé 0,73°C/W, és ez összesen 18,73°C/W. Ez kisebb, mint az előbb kiszámított minimális hőellenállás, tehát ez a hűtőborda megfelelő lesz. Ha tehát ezt a hűtőbordát választjuk és behelyettesítjük a számokat az 1. egyenletbe, valamint feltételezzük, hogy a környezeti hőmérséklet állandó, a becsült maximális hőmérséklet 82,5°C lesz.

Alternatív megoldásként választható a 15 x 15 x 12,5 mm méretű Ohmite BGAH150-125E hűtőborda is, melynél a nagyobb hűtőfelület és a nagyobb bordamagasság miatt a hűtőborda és a hővezető anyag összesített hőellenállása 11°C/W-ra csökken. Az előbbihez viszonyítva ugyanolyan költségek mellett ez körülbelül 67°C-ra csökkentené a tok hőmérsékletét, és nagyobb tűrést biztosítana a hőmérsékletet illetően.

További szempont lehet a hűtőborda számára rendelkezésre álló hely, illetve az, hogy szükség van-e hűtőventilátorra vagy sem.

Összegzés

Termikus szempontból a hűtőborda kiválasztása viszonylag egyszerű. Amint azt bemutattuk, a BGA-tokozású IC-k hűtési problémái az Ohmite BG sorozatú hűtőbordáival megoldhatók.