ja sähkövirta I lämpövirtaa q, jolloin lämpövastukselle saadaan yhtälö

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "ja sähkövirta I lämpövirtaa q, jolloin lämpövastukselle saadaan yhtälö"

Auvo Katajakoski
8 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 Säteily Konvektio Johtuminen iitosjohto astu Kansi Kotelo Pinni Kaikki lämmönsiirtomuodot käytössä. Eri mekanismien voimakkuus riippuu kuitenkin käyttölämpötilasta ja kotelosta. astun ja kehyksen liitos Kehys Kotelo on yleensä muovia, keraamia tai lasia. Koska muovin lämpölaajenemiskerroin on n. 20 kertainen piihin verrattuna, ei piisirua voida suoraan liittää kotelon pohjaan (suuret termiset rasitukset), vaan käytetään erillistä kehystä, jonka lämpölaajenemiskerroin on samaa luokkaa kuin piillä. Kehys yleensä a. ämmönsiirto liitoksesta koteloon on ensimmäinen vaihe komponentin synnyttämän lämmön poistamiseksi. Valmistaja ilmoittaa liitoksen ja kotelon välisen lämpöresistanssin Määritellään suure lämpöresistanssi R th, jonka avulla lämmönsiirto kiinteiden kappaleiden sisällä sekä kappaleen pinnan ja ympäristön välillä voidaan määrittää sähköanalogian avulla. Sähköanalogian mukaan potentiaaliero DU vastaa lämpötilaeroa DT, resistanssi R lämpöresistanssia R th ja sähkövirta I lämpövirtaa, jolloin lämpövastukselle saadaan yhtälö R th DT = Johtuminen Konvektio Säteily th = th = 1 th = Δ ( ) 1

20 kertainen piihin verrattuna, ei piisirua voida suoraan liittää kotelon pohjaan (suuret termiset rasitukset), vaan käytetään erillistä kehystä, jonka lämpölaajenemiskerroin on samaa luokkaa kuin

2 Jatkuvuustilassa lämmönsiirto voidaan kuvata pelkkien lämpöresistanssien avulla Dynaamisessa tarkastelussa on lämmön varastointiominaisuus otettava huomioon (transienttitila) ämpökapasitanssi C th = c p rv = mc p kuvaa kappaleeseen varastoituvaa lämpöenergiaa ämpöresistanssi ja kapasitanssi muodostavat RC-piirin C th R th Tehotransistori toimii 15 W teholla. Transistori on kiinnitetty jäähdytyslevyyn, jota ympäröi 50 C ilma. Kerran tunnissa transistoria kuormitetaan 10 minuutin ajan 50 W teholla. Onko jäähdytyslevy riittävän suuri, jos transistorin suurin sallittu lämpötila on 115 C. Alkuarvot: 1 = 15 W, 2 =50 W, T a = 50 C, T max =115 C, C th =385 J/ C, R th (liitos-ympäristö) = 1.8 C/W, t = 10 min = 600 s. 2

teholla. Transistori on kiinnitetty jäähdytyslevyyn, jota ympäröi 50 C ilma. Kerran tunnissa transistoria kuormitetaan 10 minuutin ajan 50 W teholla.

3 Kortit on yleensä pinottuna päällekkäin ja ne jäähdytetään siten, että puhaltimesta tuleva jäähdytysilma johdetaan korttien välistä (pakotettu konvektio) Pienitehoisissa sovelluksissa käytetään myös vapaata konvektiota Mikäli kortit on suljettu hermeettiseen koteloon, on ne jäähdytettävä erillisen, jäähdytettävän aineen kanssa kosketuksissa olevan jäähdytyslevyn avulla (johtuminen) Jäähdytettävät kortit on yleensä kytketty jäähdytyslevyyn niiden reunasta Kortin ja sen reunan välinen lämpöresistanssi on luokkaa C/W, koska kortti on ohut ja piirikorttimateriaalin lämmönjohtavuus on huono (sähköinen eriste). Piirikorttien termisessä suunnittelussa on tärkeätä kiinnittää huomiota siihen, mitkä korttiin liitettävistä komponenteista eivät kestä korkeita toimintalämpötiloja Huonosti lämpöä kestävät komponentit on sijoitettava kortin laidoille eli paikkaan, josta lämpö saadaan kaikkein tehokkaimmin siirrettyä komponentista kortin reunalle Suuren häviötehon omaavat kortit voidaan myös kiinnittää metalliseen runkoon, joka toimii kortissa syntyneelle lämmölle tehokkaana johtumiskanavana kortin sisältä sen reunalle (johtumisen avulla jäähdytetty kortti) 3

Jäähdytettävät kortit on yleensä kytketty jäähdytyslevyyn niiden reunasta Kortin ja sen reunan välinen lämpöresistanssi on luokkaa 20 60 C/W, koska kortti on ohut ja piirikorttimateriaalin

4 T Max. lämpötila Jäähdytyslevyn lämpötila Komponentti Piirilevy Metallirunko Jäähdytyslevy Määritetään komponentissa/laitteessa syntyvä häviöteho isätään laskettuun häviötehoon varmuusmarginaali, jotta laitteeseen voidaan tulevaisuudessa lisätä komponentteja tai kortteja ilman, että jäähdytystehoa on erikseen suurennettava Mikä on laitteen käyttöympäristö (T, p, pöly ja lika) ja laitteen toimintajakso? Valitaan jäähdytysmenetelmä T Jatkuvuustilaa vastaava lämpötila T(t) Transienttivaihe Jatkuvuustila Ympäristön lämpötila Aika, t 4

häviöteho isätään laskettuun häviötehoon varmuusmarginaali, jotta laitteeseen voidaan tulevaisuudessa lisätä komponentteja tai

5 aitteen toimintalämpötilan vaihteluista johtuvat lämpöjännitykset heikentävät laitteen luotettavuutta (lämpöiskut, mekaaniset vauriot) Suurin osa laitteista toimii yhtäjaksoisesti pitkiä aikoja, joten niiden jäähdytysjärjestelmät mitoitetaan jatkuvuustilan mukaisesti aitteiden, jotka eivät saavuta termistä tasapainotilaa voidaan käyttää lämpövarastoa tai jättää jäähdytys kokonaan pois Transienttivaiheessa toimivien laitteiden tapauksessa voidaan käyttää kaksikerroskoteloa Kotelon seinämien välissä sopivan sulamislämpötilan omaava vaha Pinnan lämpötila Saadaan lisäämällä lämpötilaeroon ympäristön ämpötila T a ämpötilaero [ C] Ilmajäähdytys, vapaa konvektio+säteily Upottaminen nesteeseen+ kiehuminen Ilmajäähdytys, pakotettu konvektio Upottaminen nesteeseen (fluorokarbidi), vapaa konvektio Vesijäähdytys, pakotettu konvektio ämpövuo kappaleen pinnassa [W/cm 2 ] Kappaleen häviölämpö jaettuna lämmönsiirtopinnalla 5

Transienttivaiheessa toimivien laitteiden tapauksessa voidaan käyttää kaksikerroskoteloa Kotelon seinämien välissä sopivan sulamislämpötilan omaava vaha Pinnan lämpötila Saadaan lisäämällä

6 iitos astu Kansi iitosjohto Kotelo Pinni iitos R rajoitettu = 1 2 R piilastu astun ja kehyksen liitos Kehys R eutektinen-liitos Ympäristö Kotelo R kehys R kotelo-ympäristö R välilevy iitos R liitos-kotelo R pinnit ämpöresistanssin käytös piirikorttiin liitetyn DIP-komponentin osalta R liitos-ympäristö = R liitos-kotelo + R kotelo-ympäristö ämpöresistanssi R liitos-ympäristö [ C/W] Jäähdytysilman nopeus [m/min] 8 pinniä 14 pinniä 16 pinniä 24 pinniä 6

liitetyn DIP-komponentin osalta R liitos-ympäristö = R liitos-kotelo + R kotelo-ympäristö ämpöresistanssi R liitos-ympäristö [

7 Piirikortit ovat lämmönjohtavuudeltaan varsin huonoja Jäähdytys toteutetaan tavallisesti pakotetulla konvektiolla tai upotusjäähdytyksellä (suora jäähdytys) Tiiviisti suljetuissa koteloissa lämpö siirtyy johtumalla piirikorttia pitkin koteloon kiinnitettyyn jäähdytyslevyyn (epäsuora jäähdytys) = l kortti = + æ DT ö = çla è ø æ DT ö + çla è ø DT [( la) + ( la) ] = [( lt) ( lt) ] eff = + ( lt ) + ( lt) t + t ( t + t ) wdt piirikortt i = leff = l A eff piirikortti DT wdt t t w Jäähdytyslevyä käytettäessä lämpö johtuu piirikortin läpi sen paksuussuunassa. Suuri R th, jota voidaan pienentää tappien avulla. Komponentit Komponentit Piirilevy Piirilevy Metallinen sydänlaatta Piirilevy Sideaine Kylmä levy Jäähdytyslevy Jäähdytyselementti 7

= [( lt) ( lt) ] eff = + ( lt ) + ( lt) t + t ( t + t ) wdt piirikortt i = leff = l A eff piirikortti DT wdt t t w Jäähdytyslevyä käytettäessä lämpö johtuu piirikortin läpi sen

8 Yhdessä moduulissa jopa yli 100 kpl logiikkasiruja, joista jokaisen häviöteho 4 W ähde: Y.A. Cengel: Heat transfer: A practical approach 8

Samankaltaiset tiedostot

3. Elektroniikkalaitteiden koostumus

34 3. Elektroniikkalaitteiden koostumus Kahden erityyppisen puolijohdemateriaalin välistä kapeaa vyöhykettä kutsutaan liitokseksi. Esimerkiksi transistorissa on kaksi tällaista liitosta, kun taasen diodissa