Tehotiheyden kasvaessa monet komponentit tarvitsevat myös jäähdytyselementin. Uudet innovaatiot tarjoavat suunnittelijoille uusia vaihtoehtoja tehokkaaseen lämmönpoistoon. Näitä ovat muun muassa eri kotelotyypeille sopivat termiset väliainetyynyt sekä kuparipohjaisesta vaahtomateriaalista valmistetut jäähdytyselementit, jotka on päällystetty säteilyemissiota parantavalla kerroksella.

Nykyään elektroniikkalaitteiden suunnittelijat kohtaavat jatkuvasti paineita kasvattaa järjestelmän tehotiheyttä tai lisätä uusia ja entistä vaikuttavampia toimintoja yhä pienempään kokoon. Tämän seurauksena komponentit joutuvat työskentelemään entistä tehokkaammin ja ahdettuina yhä pienempään tilaan. Tämä puolestaan kohottaa järjestelmän toimintalämpötilaa.

Kohonnut lämpötila on komponenttien luotettavuuden vihollinen, joten lämmönhallintaan on kiinnitettävä vakavaa huomiota, jotta voitaisiin varmistaa lopputuotteelle tavoiteltu käyttöikä.

Lämmönhallinnan suunnittelu kannattaa aloittaa jo projektin varhaisessa vaiheessa. Termisiä haasteita voidaan helposti vähentää myöhemmin valitsemalla komponentit alkuvaiheessa huolellisesti. Tehoelektroniikan sovelluksissa tämä saattaa merkitä esimerkiksi uusimpien ja tehokkaimpien MOSFET- ja IGBT-transistorien valitsemista järjestelmään. Yleisemmin järjestelmätason tehonhallintaa voidaan soveltaa energiatehokkaasti hyödyntämällä tehosirujen joutokäyntitiloja ja sammuttamalla kulloinkin käyttämättömät komponentit tai alijärjestelmät lämmöntuoton minimoimiseksi.

Viime kädessä suuritehoiset tai erittäin suorituskykyiset järjestelmät vaativat yleensä lämmön poistamista suurella teholla toimivien piisirujen liitoksista ympäröivään ilmaan käyttämällä jotain siirtomekanismia kuten lämmönlevitintä, kylmälohkoa tai yhtä tai useampaa jäähdytyslevyä. Lisäksi lämmönhallinnan haasteiden koko laajuus voi olla tiedossa vasta projektin myöhäisvaiheessa, kun suunniteltu järjestelmä alkaa valmistua. Jossain vaiheessa suunnittelijat joutuvat vääjäämättä suunnittelemaan myös tarvittavat jäähdytyselementit ja optimoimaan niiden suorituskyvyn saadakseen aikaan maksimaalisen lämmönsiirron suhteessa järjestelmän kokoon ja kustannuksiin.

Jotta jäähdytyselementti olisi mahdollisimman tehokas, on tärkeää ensin minimoida elementin ja komponenttikotelon välisen liitoksen lämpöimpedanssi, jotta lämpö voi siirtyä tehokkaasti kotelosta jäähdytyselementtiin. Toinen tärkeä näkökohta on maksimoida jäähdytyselementin pinta-ala suhteessa sen tilavuuteen optimaalisen lämmönhaihtumisen aikaansaamiseksi. Piirilevyn pinta-ala ja suurin sallittu asennuskorkeus asettavat luonnollisesti tälle omat rajoituksensa.

Lämpöliitosten optimointi

Kun jäähdytyselementti kiinnitetään komponenttiin, kiinnityskohdan pintojen karkeus ja epätasaisuus jättävät väistämättä väliin pieniä ilmataskuja, jotka estävät lämmön tehokkaan siirtymisen jäähdytyselementtiin. Liitospintoihin pitää sen vuoksi levittää täytteeksi lämpöä johtavaa liitäntäainetta eli TIM-materiaalia (Thermal Interface Material).

Liitäntäaineella tulee olla hyvät juoksevuus- ja kostutusominaisuudet pintojen epätasaisuuden aiheuttamien ongelmien torjumiseksi. Epätasaisuuksien korjaamiseksi TIM-materiaalin tulee mukautua kummallekin pinnalle ilman merkittävää ulkoista painetta, joka voisi olla vahingollista komponentille.

Saatavissa on laaja valikoima erityyppisiä TIM-aineita ja materiaaliseosten kaavoja. Näitä ovat esimerkiksi lämpörasvat, faasinmuutosmateriaalit, annosteltavat nestemäiset täyteaineet, lämpöliimat sekä hyvin lämpöä johtavat kalvot, laminaatit ja tyynyt. Nämä tarjoavat suunnittelijoille useita vaihtoehtoja täyttää liitoksen termiset suorituskykyvaatimukset ja yhteensopivuus automatisoitujen asennusprosessien kanssa sekä fysikaaliselle suorituskyvylle asetetut vaatimukset esimerkiksi pitkän aikavälin lämmönvaihtelujen suhteen.

Samoin voidaan täyttää myös sovelluksen erityisvaatimukset kuten materiaalin silikonittomuus, jota usein vaaditaan optisten laitteiden tai ajoneuvon valojen sumenemisen estämiseksi. Muita huomioon otettavia tekijöitä ovat sähköinen eristyskyky, repäisylujuus ja se, voidaanko valittua materiaalia käyttää tai korvata/levittää uudelleen, jos kokoonpano tehdään uudestaan tehtaalla tai sitä korjataan kentällä.

Saatavissa olevista TIM-tyypeistä termiset välitäytetyynyt ovat kätevä ratkaisu. Materiaalia voidaan toimittaa irtotavarana arkeittain tai erikokoisina ja -muotoisina paloina, jotka sopivat tietyille komponenttikoteloille. Tyynyt voidaan asettaa paikoilleen käsin tai käyttäen automaattista asennuskonetta, joten kiinnitystyö voidaan haluttaessa integroida inline-tyyppiseen pintaliitoslinjaan. Yksi- tai kaksipuolinen itsetarttuvuus mahdollistaa kiinnittämisen ilman liimaa, mikä yksinkertaistaa valmistusta ja lisäksi säästää mahdollisesti lämpövastusta kasvattavan ylimääräisen ainekerroksen käyttämiseltä.

Tarjolla on laaja valikoima materiaalikaavoja, jotka tarjoavat lukuisia yhdistelmiä lämmönjohtavuuden, pehmeyden, kostutusominaisuuksien ja kustannusten suhteen. Niistä Gap Pad 5000S35 on äskettäin tehty lisäys Bergquistin S-luokan (pehmeisiin) erittäin mukautuviin materiaaleihin. Materiaalilla on S-luokan suurin lämmönjohtavuusarvo 5,0 W/mK painelukemalla 121 kPa, minkä ansiosta painerasitus voidaan minimoida, kun komponentti liitetään kiinnikkein tai ruuveilla jäähdytyslevyyn.

Kuva 1: Bergquistin Gap Pad auttaa merkittävästi parantamaan liitoskohdan lämmönsiirtokykyä.

Vieläkin herkempiin painevaatimuksiin Bergquistillä on myös HC (High-Compliance) ja ULM (Ultra-Low Modulus) Gap Pad -tuoteperheet, joiden lämmönjohtavuudet ovat 5,0 W/mK ja 3,5 W/mK. Saatavissa ovat myös Value Performance ja Extended Performance (VO, VO Soft, VO Ultra-Soft) -tuoteperheet, jotka tarjoavat laajan valikoiman vaihtoehtoja lämmönjohtavuuden, mukautuvuuden ja kustannusten suhteen.

Toisaalta erikoiset Gap Pad -perheet antavat suunnittelijoille lisävaihtoehtoja. Näitä ovat esimerkiksi silikonittomat (SF) tuotteet, joiden lämmönjohtavuus on enimmillään 3,0 W/mK. Vaikka S-luokan tuotteiden uuttolukemat ovat nekin erittäin alhaiset muihin silikonipohjaisiin materiaaleihin verrattuna, Gap Pad 1000SF, 2000SF, 2202SF ja 3004SF -sarjat tarjoavat äärimmäisen vahvan suojan silikoniherkkiin sovelluksiin.

Täyteaineiden termiset ominaisuudet voidaan myös yhdistää sähkömagneettisten häiriöiden (EMI) vaimentamiseen, jolloin saadaan aikaan kätevä ’kaksi yhdessä’ -ratkaisu, ovathan sähköisiin häiriöihin ja kohinaan liittyvät kysymykset usein suunnittelijoiden päänsärkynä projektin loppuvaiheissa. Niin ikään Bergquistin valmistama Gap Pad EMI 1.0 on sähköisesti eristävä materiaali, joka absorboi häiriöitä kuten resonanssitaajuuksia ja ylikuulumista 1 GHz ja vieläkin suuremmilla taajuuksilla. Pehmeä materiaali on kuitenkin erittäin mukautuva ja sen kostutusominaisuudet ovat erinomaiset. Lämmönjohtavuus on 1,0 W/mK.

Jäähdytyslevyjen suunnittelu

Erikokoisia ja -muotoisia jäähdytyslevyjä on saatavissa valtava määrä hyllytavarana useilta eri valmistajilta, joita ovat esimerkiksi Aavid , Cincon , Wakefield Vette ynnä muut vastaavat toimittajat. Valmistajien standardivalikoimaan kuuluu tyypillisesti useita malleja, jotka on erityisesti suunniteltu yleisimmille puolijohdekoteloille kuten LGA-, QFN- ja BGA-koteloille sekä tehopuolijohdekoteloille kuten D2PAK- ja TO-220-koteloille.

Saatavana on myös levymalleja standardikokoisille neljännestiilen ja puolitiilen kokoisille tehomoduuleille. Valikoimiin kuuluu myös jäähdytyselementtejä, jotka on optimoitu SOM-kokoihin (System On Module) kuten SOM-4461 sekä sopimaan erikokoisiin IGBT-moduuleihin.

Datalehdessä ilmoitettu lämpövastusarvo (°C/W) auttaa suunnittelijoita laskemaan sirun liitoslämpötilan aktiivisen toiminnan aikana olettaen, että häviöteho ja ympäristön lämpötila tunnetaan, ja myös kotelon sekä TIM-materiaalin lämpövastusarvot otetaan huomioon. Jos laskelmat osoittavat, että liitoslämpötila on tavoitellun tason yläpuolella vaadittuun luotettavuustasoon nähden, saatetaan tarvita jäähdytyselementti, jonka lämpövastusarvo on alhaisempi.

Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää puhaltimeen perustuvaa pakkojäähdytystä termisen suorituskyvyn parantamiseksi. Vaikka puhaltimissa käytettävien materiaalien ja rakenteiden viime aikojen parannukset sekä elektroniset ohjaimet ovat pidentäneet tuulettimien tyypillistä käyttöikää, niiden elinkaari on silti huomattavasti lyhyempi kuin piipohjaisten komponenttien, joita ne jäähdyttävät.

Muita heikkouksia ovat kohonneet materiaali- ja suunnittelukustannukset sekä se, että laitekotelon kokonaan sulkeminen ei ole mahdollista. Ja jos puhaltimeen liitetään ilmansuodatin pölyn sisäänpääsyn estämiseksi, se on puhdistettava säännöllisesti jäähdytystehokkuuden ylläpitämiseksi. Siksi ilman tuuletinta toimivaa passiivista jäähdytystä suositellaan käytettäväksi aina, kun se on mahdollista.

Tavanomainen tapa vähentää mikropiirin liitoslämpötilaa käyttämättä tuuletinta on valita sille suurempikokoinen jäähdytyslevy. Tämäkin voi olla epätoivottu tai jopa toimimaton ratkaisu, jos laitekotelon sisällä ei ole riittävästi tilaa. Sovelluskohteeseen räätälöity jäähdytyslevy voidaan suunnitella tarjoamaan suurempi jäähdytyspinta-ala käytettävissä olevan tilan asettamissa rajoissa, mutta se voi olla kallis ratkaisu, joka saattaa myös viivästyttää projektia.

Kuparivaahto avuksi

Tarjolla on myös vaihtoehtoinen ratkaisu: uusi innovatiivinen kuparipohjainen vaahtomateriaali VersarienCu, joka on valmistettu Liverpoolin yliopistossa kehitetyn prosessin avulla. Materiaali koostuu hienojakoisista toisiinsa liittyvistä avoimista huokosista, joiden ansiosta se soveltuu mainiosti lämmönsiirtosovelluksiin.

VersarienCu-materiaalista valmistetut jäähdytyselementit yltävät jopa 6°C/W parempaan suorituskykyyn kuin samankokoiset tavanomaiset jäähdytyslevyt. Elementit on päällystetty ohuella mutta lujalla kuparioksidikerroksella, joka lisää lämpöemissiota parantamalla elementin säteilyominaisuuksia.

Toisiinsa liittyvien huokosten suuri pinta-ala yhdistettynä kuparin erinomaiseen lämmönjohtavuuteen antaa suunnittelijoille mahdollisuuden käyttää sovelluskohteessa pienempikokoista tai profiililtaan matalampaa jäähdytyselementtiä tai hyödyntää parempaa termistä suorituskykyä fyysisesti samankokoisessa elementissä.

Kuva 2: Versarienin jäähdytyselementtien LPH-sarja.

Versarienin nykyiseen LPH-sarjaan kuuluu kymmenen matalaprofiilista jäähdytyselementtiä, joiden mitat kattavat alueen 10x10x2 – 40x40x5 mm. Kooltaan suurimman elementin lämpövastus on 5 watin kuormituksella 17,4 °C/W.