Влияние теплового сопротивления на теплопередачу и управление температурой в электронных корпусах

Ключевые выводы

• Общее тепловое сопротивление электронного корпуса можно разделить на три уровня: уровень компонентов, уровень корпуса и системный уровень.

• Для улучшения охлаждения в электронных корпусах рекомендуется уменьшить внутреннее термическое сопротивление, что увеличивает тепловой поток внутри корпуса.

В целях повышения производительности, надежности и стоимости электроники рекомендуется включать большее количество компонентов или цепей в один корпус или корпус. Поскольку схемы ограничены небольшими пространствами с более высокой плотностью мощности, генерация и рассеивание тепла являются серьезной проблемой для разработчиков. Интеграция нескольких схем в один корпус, такой как печатная плата, ставит под сомнение методы управления температурным режимом и теплопередачу в электронных устройствах.

В этой статье мы анализируем влияние термического сопротивления на теплопередачу и регулирование температуры для лучшей защиты электронных устройств.

Определение теплового сопротивления при теплопередаче

Для теплового анализа или анализа теплопередачи интегрированных электронных блоков тепловое сопротивление является важным параметром, так как оно играет важную роль в реализации механизма охлаждения. Один ключевой критерий, который должен соблюдаться при охлаждении электронных устройств, заключается в том, что температура должна поддерживаться ниже максимально допустимых пределов в наихудших условиях эксплуатации, таких как тепловое сопротивление, скорость потока охлаждающей жидкости и мощность модуля.

Все блоки электронных схем можно характеризовать термостойкостью. Поскольку мы можем связать диффузию теплового потока с движением электрических зарядов, тепловое сопротивление аналогично электрическому сопротивлению. Уравнение термического сопротивления приведено ниже, где T — разница температур в ℃, q — скорость теплопередачи в ваттах, а R — термическое сопротивление в ℃/Вт:

Значение термического сопротивления при теплопередаче отличается в номенклатуре и применении устройств. Маломощные корпуса для телефонов, персональных компьютеров и бытовой электроники могут характеризоваться очень высокой термостойкостью. Компьютерные мэйнфреймы и суперкомпьютеры имеют более высокую рассеиваемую мощность компонентов и удельную мощность, а также характеризуются более низким значением теплового сопротивления.

Различные уровни теплового сопротивления

В электронных корпусах тепло передается от соединения компонентов к конечному поглотителю тепла. Общее тепловое сопротивление определяет температуру перехода в пути теплопередачи.

Общее тепловое сопротивление электронного корпуса можно разделить на три уровня в зависимости от пути теплопередачи. Уровни классификации:

• Уровень компонентов — на уровне компонентов существует внутреннее тепловое сопротивление, обозначаемое Rint. Это сопротивление потоку тепла от перехода или любого другого элемента схемы к внешней поверхности корпуса компонента.

• Уровень упаковки — внешнее тепловое сопротивление, выраженное Rext, находится на уровне упаковки и обеспечивает сопротивление передаче тепла от поверхности корпуса к некоторой контрольной точке. Этой контрольной точкой может быть температура окружающей среды, край печатной платы или холодная пластина с жидкостным охлаждением.

• Системный уровень — тепловое сопротивление системного уровня является последней стадией теплового сопротивления. На этом этапе основное внимание уделяется передаче тепла от охлаждающей жидкости к радиатору.

Роль внутреннего и внешнего теплового сопротивления в теплопередаче

Внутреннее и внешнее тепловое сопротивление определяют температуру перехода устройства в корпусе электроники. Общее тепловое сопротивление определяется как сумма Rint и Rext, и его значение уменьшается с увеличением удельной мощности корпуса.

Для надлежащего управления температурой и теплопередачи комбинации внутренних и внешних тепловых сопротивлений должны выбираться таким образом, чтобы они допускали заданные значения мощности и температуры перехода. На внутреннее и внешнее тепловое сопротивление влияют механизмы охлаждения и конструкция корпуса. Это указывает на важность управления температурным режимом и выбора системы охлаждения при контроле температуры электронных блоков.

Для улучшения охлаждения в электронных корпусах рекомендуется уменьшить внутреннее тепловое сопротивление, что увеличивает поток тепла внутри корпуса. Уменьшение внешнего термического сопротивления может улучшить отвод тепла от внешней поверхности упаковки к охлаждающей среде.

Термическое сопротивление оказывает значительное влияние на теплопередачу в электронных корпусах. Метод охлаждения, конструкция упаковки и выбранный материал имеют решающее значение для определения внутреннего и внешнего теплового сопротивления. Если выбор теплового управления неверен, комбинация внутреннего и внешнего теплового сопротивления не сможет удовлетворить температурные ограничения электронного блока. При разработке электронных блоков с высокой удельной мощностью тщательно выбирайте механизмы управления температурным режимом и охлаждения, чтобы обеспечить надежную и эффективную работу.

Подпишитесь на нашу рассылку, чтобы быть в курсе последних обновлений. Если вы хотите узнать больше о том, как у Cadence есть решение для вас, поговорите с нами и нашей командой экспертов.

Решения Cadence PCB — это комплексный инструмент для проектирования от начала до конца, позволяющий быстро и эффективно создавать продукты. Cadence позволяет пользователям точно сократить циклы проектирования и передать их в производство с помощью современного отраслевого стандарта IPC-2581.

Подпишитесь на Linkedin

Посетите вебсайт

Больше контента от Cadence PCB Solutions

OrCAD
Начать бесплатную пробную версию

НАЧАТЬ СЕЙЧАС

Измерение теплопроводности и удельной теплоемкости

Измерения теплопроводности могут сказать вам, насколько хорошо материал способен проводить или передавать тепловую энергию, а удельная теплоемкость описывает количество тепловой энергии, необходимое для повышения температуры материала. Оба показателя жизненно важны для прогнозирования характеристик изоляторов, материалов с фазовым переходом, таких как масла, воски и пластмассы, теплообменников, испарителей, холодильников и морозильников.

Измерения теплопроводности и удельной теплоемкости являются обычными измерениями во многих отраслях, включая аэрокосмическую, автомобильную, строительную, электронную, текстильную и аддитивное производство. Хорошее понимание того, как проводимость тепловой энергии и как она влияет на материал, является ключом к способности прогнозировать поведение системы, а также проектировать и оптимизировать элементы управления. Наша лаборатория может измерять теплопроводность жидкостей, паст, порошков, изоляторов и керамики от -20 до 200°C.

Если вы хотите обсудить измерение теплопроводности или удельной теплоемкости вашего материала или характеристику других физических свойств вашей продукции, обращайтесь к нам.

Свяжитесь с нами

На первый взгляд процесс теплопередачи кажется интуитивно понятным, но его легко не заметить, если вы не будете осторожны – если вы когда-либо подгорали на гриле, то вы уже видели, насколько низкая теплопроводность и низкая теплоемкость может быть проблемой при работе с высокими температурами. В промышленности игнорирование тепловых характеристик вашего продукта может быть дорогостоящей ошибкой, ведущей к неэффективности, несоответствиям в качестве или, в худшем случае, к блокировкам или повреждению вашей технологической линии.

Теплоемкость

Температура материала является показателем количества тепловой энергии, которой он обладает, и сильно зависит от плотности и теплоемкости материала. Теплоемкость материала часто дается либо по плотности (удельная теплоемкость), либо по объему (объемная теплоемкость). Удельную теплоемкость можно рассматривать как усилие или работу, необходимые для повышения температуры одной единицы массы материала на одну единицу температуры, единицей СИ является джоуль на килограмм на кельвин. Когда вы умножаете удельную теплоемкость на плотность материала, вы можете вычислить объемную теплоемкость, которая представляет собой усилие или работу, необходимые для повышения температуры одной единицы объема материала на один градус Кельвина, единицей СИ является джоуль на метров кубических на кельвин.

Если материал имеет низкую удельную теплоемкость, то для повышения температуры материала требуется относительно небольшое количество тепла, и наоборот, материал с высокой удельной теплоемкостью потребует сравнительно больше энергии для повышения температуры на ту же величину. Это может быть полезно в промышленности строительных материалов при попытке спроектировать здания, способные защитить своих жителей от изменений температуры окружающей среды.

Теплопроводность

Теплопроводность описывает скорость теплового потока через температурный градиент внутри материала, т. е. легкость, с которой тепловая энергия течет от горячего конца к холодному концу материала. Единицей СИ для теплопроводности является ватт на метр-кельвин.

Материал с высокой теплопроводностью может быстро перемещать большое количество тепла на большое расстояние, тогда как материал с низкой теплопроводностью может действовать как изолирующий барьер для передачи тепла. Теплопроводность жизненно важна для материалов теплового интерфейса, которые должны способствовать передаче тепла между двумя поверхностями. Может быть невероятно сложно добиться идеального контакта двух поверхностей друг с другом (и, следовательно, трудно достичь идеальной эффективности теплопередачи), поэтому материалы теплового интерфейса используются для «заполнения зазоров» и обеспечения пути для теплопередачи.

Температуропроводность

Температуропроводность, полученная путем деления теплопроводности материала на его объемную теплоемкость, может рассматриваться как отношение изменения температуры во всем материале по мере того, как он проводит некоторое количество тепла, или скорость, с которой достигается тепловое равновесие между горячим и холодным концами материала.

Высокий коэффициент температуропроводности указывает на то, что материал будет быстро уравновешиваться, в то время как низкий коэффициент теплопроводности указывает на более вероятное повышение внутренней температуры при прохождении тепла. Единицей температуропроводности в СИ является метр в квадрате в секунду. Изоляционный материал как для зданий, так и для текстиля помогает предотвратить потерю тепла из помещения, объекта или человека и обычно имеет низкую диффузионную способность.

Тепловая эффузивность

Температурная эффузивность определяется как радикал (квадратный корень) из коэффициента температуропроводности – проще говоря, это мера способности материала обмениваться тепловой энергией с окружающей средой. Высокая тепловая эффузивность указывает на то, что материал эффективно обменивается теплом с окружающей средой, тогда как низкая тепловая эффузивность указывает на относительно низкую способность обмениваться тепловой энергией.

Единицы СИ для термической эффузивности немного странные – ватт в радикальных секундах на метр на метр на кельвин (Ws ^1/2 м ^-2 К ^-1 ). Термическую эффузивность можно использовать для оценки управления теплом текстиля — например, в спортивной одежде используемый текстиль должен сохранять тепло в холодных условиях, но позволять владельцу охлаждаться при потоотделении. Этому часто способствует продуманное сочетание плотности нитей, создание пор в переплетении ткани и выбор специальных материалов с заданными тепловыми свойствами.

Метод измерения теплопроводности – модифицированный плоский источник переходных процессов (MTPS)

Мы используем модифицированный метод переходного плоского источника (MTPS) для измерения теплопроводности и тепловой эффузии. Система работает, пропуская известный ток через провод в форме спирали (который действует как нагревательный элемент и датчик) и защитное кольцо в течение короткого промежутка времени, провода нагревают образец в одном направлении на границе раздела датчик-образец, с защитное кольцо, помогающее приблизиться к однонаправленному тепловому потоку. Поскольку сопротивление датчика сильно зависит от температуры, можно измерить падение напряжения датчика с течением времени, чтобы получить представление о термической эффузивности образца.

Материал с высокой эффузивностью отводит тепло быстрее, в то время как материал с низкой эффузивностью отводит тепло с трудом, что приводит к повышению температуры катушки датчика нагревательного элемента и повышению измеряемого напряжения.

Используется с разрешения. Copyright © 2021 C-Therm Technologies Ltd., Все права защищены.

Независимо от того, хотите ли вы лучше понять эффективность теплопередачи в вашем материале, для управления теплом с помощью материалов с тепловым интерфейсом, для обеспечения максимально возможной эффективности единичных процессов или просто для обеспечения того, чтобы ваш материал вел себя и работал в соответствии с прогнозами, наша лаборатория имеет ряд дополнительных возможностей для описания физических свойств мягких материалов.