Новые стратегии охлаждения решают проблемы электроники

Поскольку электронные устройства сталкиваются с все более жесткими проблемами управления тепловой энергией, традиционные решения для охлаждения оказываются недостаточными.Критический вопрос о том, как преодолеть термические узкие места для повышения производительности и надежности устройства, стал центральным для инженеров-электроников и ученых-материаловВ данной статье рассматриваются ключевые факторы, влияющие на рассеивание тепла в электронных устройствах, с особым акцентом на теплопроводность,и исследует стратегии оптимизации с нескольких точек зрения, включая выбор материала, конструкции и применения передовых технологий.

Теплопроводность, фундаментальное физическое свойство, измеряющее способность материала передавать тепловую энергию,определяется как количество тепла, передаваемого за единицу времени по единичной площади с градиентом температуры единицыВ электронных приложениях охлаждения теплопроводность служит решающим фактором эффективности рассеивания тепла.Материалы с высокой теплопроводностью могут быстро передавать тепло из источников (таких как чипы) в теплоотводы или другие охлаждающие среды, тем самым снижая температуру чипа и обеспечивая стабильную работу устройства.

Теплопроводность обычно обозначается символом k с единицами W/mK (ватт за метр-кельвин) или Btu/hr-ft-°F (британские тепловые единицы за час-фут-фарергейт).Производство тепла происходит в различных компонентахВ процессе работы ток, проходящий через сопротивление, генерирует нагрев в джоуле, вызывая повышение температуры.Температура компонентов продолжает расти, что может привести к снижению производительности, сокращению срока службы или даже катастрофическому сбою.

Охлаждение электронных устройств включает в себя сложные процессы, при которых тепло обычно передается из источников во внешнюю среду через несколько стадий.Понимание этих проводящих путей позволяет более целенаправленную тепловую оптимизацию:

• Передача тепла на уровне чипа:Тепло изначально генерируется внутри микросхем и проходит через материалы микросхем (обычно кремний) на поверхности.Теплопроводность материалов чипа напрямую влияет на распределение внутренней температуры.
• Интерфейс чипа-теплоотвода:Передача тепла между поверхностями чипов и охлаждающими компонентами (отводы тепла, теплопроводы) сталкивается с тепловым сопротивлением поверхности из-за несовершенного контакта и воздушных пробелов.Тепловые интерфейсные материалы (TIM), такие как тепловая смазка или подушки, обычно используются для смягчения этого сопротивления.
• Внутренняя проводимость теплоотвода:Передача тепла через конструкции теплоотводов и обмен с окружающей средой через поверхности.и методы охлаждения (естественная конвекция), принудительного воздуха, жидкостного охлаждения) определяют эффективность охлаждения.
• Интерфейс теплоотвода с окружающей средой:Окончательная передача тепла происходит от поверхностей теплоотводов к окружающей среде, где температура окружающей среды и условия воздушного потока влияют на производительность.

Каждый проводящий путь обеспечивает тепловое сопротивление, которое в совокупности формирует общее сопротивление системы.Снижение теплового сопротивления в центре внимания электронного дизайна охлаждения.

Теплопроводность варьируется в зависимости от множества факторов, влияющих на выбор материала и оптимизацию конструкции охлаждения:

• Тип материала:Металлы, как правило, обладают высокой теплопроводностью, в то время как неметалы (пластик, керамика) имеют более низкие значения.алюминий (237 Вт/мК), кремний (148 Вт/ мК), стекло (1, 0 Вт/ мК), пластмассы (0, 1- 0, 5 Вт/ мК) и воздух (0, 026 Вт/ мК).
• Эффекты температуры:Для металлов проводимость обычно уменьшается с повышением температуры из-за увеличения рассеяния электронов.Неметаллические материалы демонстрируют более сложные зависимости от температуры на основе микроструктуры и характеристик фононного транспорта.
• Чистота материала и дефекты:Материалы более высокой чистоты с меньшим количеством дефектов проводят больше, поскольку примеси и дефекты рассеивают теплоносители (электроны или фононы), уменьшая средние свободные пути.
• Кристаллическая структура:Кристаллические материалы демонстрируют анизотропную проводимость с направленными изменениями.

Точное измерение теплопроводности имеет важное значение для проектирования охлаждения.

• Методы стабильного состояния:Применение постоянных температурных дифференциалов между материалами и измерение теплового потока и температурных градиентов при равновесии, подходящих для материалов с высокой проводимостью, таких как металлы.
• Переходные методы:Применение тепловых импульсов и измерение временных температурных реакций, эффективно для материалов с низкой проводимостью, таких как пластмассы и керамика.
• Анализ лазерной вспышки:Известный транзиторный метод, использующий лазерные импульсы для нагрева поверхностей при измерении температурных реакций на задней поверхности для расчета тепловой диффузивности и проводимости.
• Метод 3ω:Техника переменного тока для измерения реакции напряжения на переменный ток, особенно подходящая для измерения проводимости тонкой пленки.

Эффективное электронное охлаждение требует многогранной оптимизации теплопроводности:

• Выбор материалов с высокой проводимостью:Приоритетное использование материалов с превосходной проводимостью во всех системах охлаждения, включая металлические теплоотводы и высокопроизводительные TIM.
• Оптимизация интерфейса:Минимизация сопротивления интерфейса путем отделки поверхности, регулирования контактного давления и реализации TIM.
• Структурное усовершенствование теплоотвода:Увеличение площади поверхности, оптимизация геометрии плавников и включение передовых элементов теплопередачи, таких как тепловые трубы и паровые камеры.
• Передовые технологии охлаждения:Внедрение жидкостного охлаждения, систем смены фаз, термоэлектрического охлаждения и микроканальных решений для высокомощных приложений.
• Интеграция наноматериалов:Включение углеродных нанотрубок, графена или наножидкостей для повышения тепловой производительности.

Продолжающиеся инновации в области электронного охлаждения включают в себя несколько перспективных разработок:

• Трехмерные охлаждающие конструкции с интеграцией микросхем
• Системы адаптивного охлаждения, реагирующие на эксплуатационные условия
• Стратегии управления тепловой энергией, оптимизированные для ИИ
• Материалы высокой проводимости следующего поколения
• Технологии получения тепловой энергии

Смартфоны представляют уникальные проблемы с охлаждением из-за компактных размеров и высокой плотности компонентов.

• Паровые камеры для распределения тепла
• Тепловые гели для уменьшения сопротивления интерфейса
• Графитовые пленки для повышенного рассеивания
• Системы жидкого охлаждения в моделях премиум класса

Теплопроводность остается ключевым параметром в электронном охлаждении.Инженеры могут эффективно управлять тепловыми проблемами, чтобы обеспечить надежность и производительность устройстваПоскольку плотность энергии продолжает расти, непрерывные инновации в охлаждающих технологиях и материалах будут иметь важное значение для удовлетворения будущих требований к управлению тепловой энергией.