Шесть методов охлаждения электронных устройств

В условиях стремительного развития высокочастотных, высокоскоростных и интегральных схем общая плотность мощности электронных компонентов значительно возросла, в то время как их физические размеры продолжают уменьшаться, что приводит к увеличению плотности теплового потока. Высокие температуры неизбежно влияют на производительность электронных компонентов, поэтому эффективное терморегулирование становится крайне важным. Поэтому решение проблемы теплоотвода электронных устройств стало ключевым направлением. В данной статье представлен краткий анализ методов теплоотвода электронных компонентов.

Эффективность охлаждения электронных компонентов определяется принципами теплопередачи и гидромеханики. Охлаждение электроприборов подразумевает контроль рабочей температуры электронного оборудования для обеспечения стабильности и безопасности, включая рассеивание тепла, выбор материалов и многое другое. В настоящее время основными методами охлаждения являются естественное охлаждение, принудительное охлаждение, жидкостное охлаждение, холодильное оборудование, теплопроводность и технология тепловых трубок.

1. Метод естественного охлаждения

Естественное охлаждение происходит в естественных условиях без использования внешней энергии, используя теплопроводность, конвекцию и излучение для рассеивания тепла от компонентов в окружающую среду. Среди этих механизмов наиболее распространена естественная конвекция.

Этот метод применяется в основном для маломощных устройств с низкими требованиями к температурному контролю и низкой плотностью теплового потока. Он также может применяться для герметичных или плотно собранных устройств, когда не требуется дополнительное охлаждение.

Если требования к рассеиванию тепла низкие, проводимость или излучение можно улучшить за счет структурной оптимизации, чтобы улучшить естественную конвекцию и повысить общую эффективность охлаждения системы.

2. Метод принудительного охлаждения

Принудительное охлаждение ускоряет воздушный поток вокруг электронных компонентов с помощью вентиляторов или аналогичных устройств, эффективно отводя тепло. Этот метод прост, удобен и обеспечивает высокую эффективность охлаждения.

Его можно применять при наличии достаточного пространства для циркуляции воздуха или установки охлаждающих конструкций. Конвективный теплообмен можно улучшить, увеличив общую площадь рассеивания тепла и повысив коэффициент конвективного теплообмена.

Ребристые структуры широко используются для увеличения площади поверхности и улучшения теплопередачи. В мощных устройствах могут быть добавлены структуры, усиливающие турбулентность, для изменения поля потока над радиатором и повышения эффективности теплообмена.

3. Метод жидкостного охлаждения

Жидкостное охлаждение отводит тепло от микросхем и модулей микросхем и может быть разделено на прямое и косвенное охлаждение.

Косвенное жидкостное охлаждение использует промежуточные среды, такие как жидкостные модули, модули теплопередачи, распылительные модули или охлаждаемые жидкостью подложки, для передачи тепла от электронных компонентов.

Прямое жидкостное охлаждение (иммерсионное охлаждение) обеспечивает прямой контакт охлаждающей жидкости с электронными компонентами. Охлаждающая жидкость эффективно поглощает и отводит тепло. Этот метод применяется в основном для устройств с высокой плотностью теплового потока или работающих в условиях высоких температур.

4. Методы охлаждения с использованием холодильного оборудования

Охлаждение на основе холода включает охлаждение с помощью фазового перехода хладагента и охлаждение Пельтье, в зависимости от среды применения.

Охлаждение с изменением фазового состояния хладагента

Этот метод использует фазовый переход хладагента для поглощения большого количества тепла, что делает его пригодным для определённых сценариев охлаждения. Он включает в себя кипение в бассейне и кипение в потоке. Криогенные технологии также могут применяться в мощных вычислительных системах, обеспечивая более высокую эффективность цикла, широкий диапазон рабочих температур и компактную конструкцию системы.

Охлаждение Пельтье (термоэлектрическое охлаждение)

Охлаждение на основе эффекта Пельтье обладает такими преимуществами, как компактность, простота установки и высокая надежность. В нём используется эффект Пельтье, свойственный полупроводниковым материалам: тепло поглощается на одном спае и выделяется на другом.

Несмотря на отрицательное тепловое сопротивление, высокая стоимость и низкая эффективность ограничивают его применение в компактных системах с умеренными требованиями к охлаждению. Типичные характеристики: температура охлаждения ≤100 °C; мощность охлаждения ≤300 Вт.

5. Теплопроводность (передача энергии)

Теплопроводность переносит тепло от электронных компонентов в окружающую среду с помощью теплопередающих элементов. По мере того, как электронные схемы становятся более интегрированными, а плотность мощности увеличивается, а размеры устройств уменьшаются, охлаждающие системы должны обеспечивать высокие тепловые характеристики.

Технология тепловых трубок обеспечивает отличную теплопроводность, хорошие изотермические характеристики, возможность адаптации к изменяемому тепловому потоку и быстрое реагирование. Она широко используется в электронном оборудовании, системах охлаждения компонентов и полупроводниковых приборах. Конструкция тепловых трубок зависит от таких факторов, как сила тяжести, внешние силы, выбор материала, производственные процессы и чистота. Строгий контроль качества и мониторинг температуры имеют решающее значение.

6. Охлаждение с помощью тепловой трубки

Типичная тепловая трубка состоит из оболочки, пористой структуры фитиля и рабочей жидкости. В вакууме рабочая жидкость поглощает тепло в испарителе и испаряется. Под действием небольшой разницы давлений пар поступает в конденсатор, выделяет скрытую теплоту и конденсируется. Конденсат возвращается в испаритель благодаря капиллярному эффекту в фитиле.

Этот непрерывный цикл эффективно передает тепло от испарителя к конденсатору.

Тепловые трубки способны передавать большое количество тепла при минимальной разнице температур — их эффективная теплопроводность в сотни раз выше, чем у меди, что дало им название «почти сверхпроводящие теплопроводники». Однако у тепловых трубок есть предел максимальной теплопередачи. Когда подводимое тепло превышает этот предел, вся рабочая жидкость испаряется, тепловой цикл прекращается, и тепловая трубка выходит из строя.