34 3. Elektroniikkalaitteiden koostumus Kahden erityyppisen puolijohdemateriaalin välistä kapeaa vyöhykettä kutsutaan liitokseksi. Esimerkiksi transistorissa on kaksi tällaista liitosta, kun taasen diodissa liitoksia on ainoastaan yksi. Lämmönsiirrossa liitoksella ymmärretään sitä virtapiirin osaa, jossa elektronit kulkevat ja jossa siten kehittyy myös lämpöä. Liitokset ovat siten komponentin kuumimmat paikat. Esimerkiksi pii-pohjaisilla puolijohdekomponenteilla liitoksen maksimilämpötila on rajoitettu arvoon T = 125 C turvallisen toiminnan takaamiseksi. Maksimilämpötilaa matalampi toimintalämpötila on kuitenkin suositeltavaa. 3.1 Komponentin kotelo Komponentin sydämen muodostava piisiru on kotelon sisässä. Kotelon tehtävänä on suojata herkkää komponenttia joutumasta suoraan kosketukseen ympäristön kanssa. Kotelomateriaalina käytetään yleensä muovia, keraamia tai lasia. Tyypillisen puolijohdekomponentin kotelon sisältö on esitettynä kuvassa 3.1. Kansi Liitosjohto Lastu Kotelo Pinni Lastun ja kehyksen liitos Kehys Kuva 3.1. Puolijohdekomponentin kotelo. Koska muovin lämpölaajenemiskerroin on n. 20 kertainen piihin verrattuna, ei piisirua voi suoraan liittää kotelon pohjaan suurten termisten rasitusten takia. Siksi sirun ja kotelon välissä on oltava erillinen kehys, jonka materiaalin lämpölaajenemiskerroin on oltava lähes sama kuin piillä. Kehysmateriaalina käytetään yleensä kuparia. Kotelon suunnittelu on ensimmäinen askel koko laitteiston termisessä suunnittelussa, sillä lämmönsiirto sirusta koteloon on ensimmäinen vaihe komponentin synnyttämän häviölämmön poistamiseksi. Komponentin häviöteho siirtyy sirusta koteloon kaikilla edellä esitetyillä lämmönsiirtomuodoilla eli johtumalla, konvektiolla sekä säteilemällä. On kuitenkin muistettava, että kotelo on yleensä suunniteltu sähköteknisin perustein ja siten lämpötekniset seikat ovat saattaneet jäädä vähemmälle huomiolle. Määritellään seuraavaksi suure lämpöresistanssi R th, jonka avulla lämmönsiirto kiinteiden kappaleiden sisällä voidaan määrittää sähköanalogian avulla. Sähköanalogian mukaan potentiaaliero U vastaa lämpötilaeroa T, resistanssi R lämpöresistanssia R th ja sähkövirta I lämpövirtaa q, jolloin lämpövastukselle saadaan yhtälö
35 T Rth =. (3.1) q Tavallisesti kotelossa on täytteenä kaasua, joka on huono lämmönjohde. Lisäksi itse kotelo on usein tehty muovista, joka on myöskin huonosti lämpöä johtava materiaali. Tämän takia piisirun ja suojakotelon välinen lämpöresistanssi on korkea ja johtaa siten suureen lämpötilaeroon kotelon sisällä. Sirun ja kotelon välisen lämpöresistanssin suuruus riippuu sirun geometriasta ja koosta, sirun ja kotelon välisen liitoksen ominaisuuksista sekä itse kotelosta. Sirun ja kotelon välinen lämpöresistanssi vaihtelee suuresti eri sovelluksissa, jopa välillä 10 C/W 100 C/W. Kotelon sisällä ei saa olla kosteutta, sillä kosteus aiheuttaa korroosiota johtimissa. Jotta kosteutta ei pääsisi kotelon sisään, on kotelomateriaalin estettävä kosteuden pääsyn sen sisään diffuusion avulla. Tämän lisäksi kotelot on aina suljettu erittäin tiiviisti, jotta kosteus ei pääse kotelon sisään rakojen kautta. Materiaaleja, joista poistuu tai ne läpäisevät kaasua ei myöskään suositella käytettäväksi kotelomateriaalina, sillä myös kaasut saattavat aiheuttaa korroosiota komponentissa. Esimerkiksi muovi läpäisee sekä ilmaa että kosteutta, eivätkä siksi sovellu tilanteisiin, joissa kaasun pääsy koteloon on merkittävä uhka (lähinnä alipaine tai vakuumi). Korroosion kesto on muovikoteloilla myöskin heikompi kuin keraamisilla, jotka voidaan tehdä aidosti hermeettisiksi. Komponenteissa, joissa on erittäin tiukat vaatimukset kotelon hermeettisyyden suhteen (esim. avaruuselektroniikka), käytetään koteloina keraamisia materiaaleja muovin asemesta. Usein on tarkoituksenomaista sijoittaa useita piisiruja samaan koteloon. Tällaista ratkaisua sanotaan hybridi- tai monipalapiirikoteloksi. Hybridikotelossa saavutetaan etua mm. lyhyempien langoituksien, pienemmän tilantarpeen, halvemman hinnan ja suuremman luotettavuuden ansiosta. 3.2. Piirilevyt Piirilevy eli tutummin piirikortti, on halutulla tavalla langoitettu, polymeereistä, lasikuidusta tai teflonista valmistettu tasolevy, mihin erilliset komponentit on kiinnitetty juottamalla. Piirilevymateriaalin lopullinen valinta riippuu siltä vaadituista dielektrisistä ominaisuuksista. Piirikortit ovat ohuita (maksimissaan muutamia millimetrejä paksuja), joten ne eivät sovellu raskaiden komponenttien, kuten useimmat muuntajat, kiinnitykseen. Yleensä kortin toinen tai molemmat puolet on päällystetty kuparilla, jonka avulla korttiin saadaan tehtyä halutunlainen langoitus. Kuparikerroksia voi olla myös kortin sisällä, jolloin puhutaan ns. monikerroskortista. Yksittäisen piirikortin häviöteho vaihtelee riippuen sovelluksesta, ollen yleensä välillä 5 30 W. Tyypillisesti sähkölaitteessa on useita piirikortteja pinottuna päällekkäin. Piirikortit jäähdytetään yleensä siten, että puhaltimesta tuleva jäähdytysilma johdetaan korttien välistä. Mikäli piirikortit on suljettu hermeettiseen koteloon, on ne jäähdytettävä erillisen, jäähdyttävän aineen kanssa kontaktissa olevan, jäähdytyslevyn avulla. Jäähdytettävät kortit on kytketty jäähdytyslevyyn niiden reunasta. Piirikortin ja sen reunan välinen lämpöresistanssi on yleensä suuri (20 60 C/W), johtuen kortin ohuudesta ja korttimateriaalin matalasta lämmönjohtavuudesta. On toki muistettava, että kortissa oleva kuparipäällyste on hyvä lämmönjohde ja siten omalta osaltaan pienentää piirikortin ja sen reunan välistä lämpöresistanssia.
36 Piirikortteja on kolmea päätyyppiä: yksipuolisia-, kaksipuolisia- ja monikerroskortteja. Yksipuolisissa piirikorteissa on kuparipäällyste vain kortin toisella puolella ja kaksipuolisissa piirikorteissa kuparipäällyste ja siten myös mahdollinen virtapiiri kortin kummallakin puolella. Monikerroskorteissa on virtapiirejä myös kortin sisäosissa. Yksipuoliset piirikortit ovat halpoja ja suhteellisen helppoja korjata, kun taasen monikerroskortit, joissa on yleensä huomattava määrä komponentteja, ovat kalliita ja niiden korjaaminen on varsin vaikeata. Myös käyttölämpötilat ovat suurimmat juuri monikerroskorteissa. Kortin häviölämmön ollessa suuri on kortit yleensä kiinnitetty metalliseen runkoon, joka toimii kortissa syntyneelle lämmölle tehokkaana johtumiskanavana kortin sisältä sen reunalle. Kortin sanotaan tällöin olevan jäähdytetty johtumisen avulla. Piirikorttien termisessä suunnittelussa on erittäin tärkeätä kiinnittää huomiota siihen, mitkä korttiin liitettävistä komponenteista eivät kestä korkeita toimintalämpötiloja. Siten lämpöä huonosti kestävät komponentit on sijoitettava kortin laidoille eli paikkaan, josta lämpö saadaan kaikkein tehokkaimmin siirrettyä komponentista kortin reunalle. Kuvassa 3.2 on esitettynä johtumisen avulla jäähdytettävän piirikortin poikkileikkaus ja kortin lämpötilajakauma. T Max. lämpötila Jäähdytyslevyn lämpötila Komponentti Piirilevy Metallirunko Jäähdytyslevy Kuva 3.2. Johtumisen avulla jäähdytettävä piirikortti ja sen lämpötilajakauma. Minimilämpötila on jäähdytyslevyn vieressä ja maksimilämpötila on kortin keskellä. 3.3 Laitteiden kotelot Piirikortit, verkkoliitynnät ja muut sähkökojeen muodostavat oheislaitteet pakataan kotelon sisään. Kotelon tehtävänä on suojata kojetta ympäristön haitallisilta vaikutuksilta sekä huolehtia kojeen riittävästä jäähdytyksestä. Kooltaan pienissä elektroniikkalaitteissa, esim. tietokone, kotelo voi olla hinnaltaan halpa ja rakenteeltaan yksinkertainen metallilaatikko, jossa tarvittavat liittimet sähkönsyöttöä ja oheislaitteita varten on sijoitettu takapaneeliin. Jäähdytyksestä vastaa yleensä kotelon sisällä oleva pieni puhallin ja ilmakiertoa varten koteloon on tehty pienet aukot tulo- ja lähtöilmaa varten.
37 Kojeissa, jotka koostuvat useista sadoista piirikorteista, ei kotelon suunnittelu ja toteutus ole enää yksinkertaista, vaan se asettaa suuret haasteet sekä mekaaniselle että termiselle suunnittelulle. Kotelon on oltava rakenteeltaan sellainen, että yksittäisiin huoltoihin ja komponenttivaihtoihin tarvittava seisokkiaika minimoituu eli kotelo on oltava huoltohenkilökunnan helposti ja nopeasti avattavissa. Tämän lisäksi komponenttien sijoittelu kotelon sisällä on oltava selkeä. Toisaalta kotelon tulee olla sellainen, ettei kukaan valtuuttamaton henkilö kykene sitä vahingossa avaamaan ja rikkomaan herkkiä elektroniikkaosia tai altistumaan mahdollisille sähköiskuille. Vaikka elektroniikkapiirien jännitetasot ovat varsin matalia, esim. ± 15 V, saattaa niissä kulkevat virrat olla parin sadan ampeerin luokkaa. Pienitehoisissa laitteissa käytettävät plug-in tyyppiset piirikortit ovat yleensä helposti vaihdettavissa. Isoissa asennuskokoonpanoissa piirikortit kytketään kotelon takapaneeliin levyliittimiensä avulla. Takapaneelissa jokainen kortti on asennettu haluttuun järjestykseen asennusrunkoon eli räkkiin. Koteloita on kaupallisesti saatavissa useassa eri kokoluokissa ja muodoissa. Materiaaleina käytetään tavallisesti alumiinia tai terästä. Kotelon seinämän paksuus riippuu sen kohtaamista mekaanisista rasituksista sekä EMC ominaisuuksista, sillä useissa tapauksissa kotelomateriaali toimii kojeen lähettämien ja kojeeseen muualta tulevien sähkömagneettisen häiriöpulssien vaimentimena. Elektroniikkakotelot on joissain tapauksissa suljettu tiivistämällä, jottei kotelon sisällä oleva fluidi, esim. suojakaasu, pääse kotelosta ulos tai ympäristössä oleva vesihöyry pääse kotelon sisäpuolelle. Kotelon suojaaminen kosteudelta on kuitenkin erittäin hankalaa johtuen vesimolekyylien pienestä koosta ja kotelon sisä- ja ulkopuolen välisestä höyrynpaine-erosta. Tiivistys lisää kotelon kokoa, painoa sekä hintaa.
38 4. Sähkölaitteen jäähdytystarpeen määrittäminen Ensimmäinen askel laitteen jäähdytyksen suunnittelulle on systeemissä syntyvän häviötehon eli jäähdytyskuorman laskenta. Termodynamiikan ensimmäisen pääsäännön mukaan systeemiin tuotava energia on tasapainotilassa yhtä suuri kuin systeemistä poistuva energia. Olettamalla, että systeemistä lähtevä teho on kokonaisuudessaan sen resistansseissa syntyvää lämpöä saadaan, että laitteen häviöteho eli jäähdytyskuorma on yhtä suuri kuin laitteen tehonkulutus. Tämä pätee useinmiten yksittäisen komponentin tapauksessa, mutta on toki muistettava, että suurin osa sähkölaitteista on sellaisia, joissa suurin osa niistä lähtevästä tehosta on sähköenergiaa (mm. taajuusmuuttaja, tutka). Siten laitteen lämpökuorma on eksaktimmin määritelty laitteen otto- ja lähtötehon erotuksena. Vastaavasti lämpökuorman laskenta voidaan tehdä myös askel askeleelta eli määrittämällä jokaisen systeemin muodostavan komponentin häviöteho ja summaamalla ne lopuksi yhteen. Kun lämpökuorma on saatu määritettyä lisätään siihen vielä tietty varmuusmarginaali. Täten laitteeseen voidaan tulevaisuudessa lisätä komponentteja tai piirikortteja ilman, että jäähdytystehoa on erikseen suurennettava. Varmuusmarginaalin asetuksessa on kuitenkin oltava varovainen, sillä rankasti ylimitoitettu jäähdytys kasvattaa laitteen kokoa sekä lisää laitteen kokonaiskustannuksia. Siten ei ole mitään järkeä mitoittaa laitteeseen järeätä ja äänekästä puhallinta ainoastaan varmuuden vuoksi, jos pienempikin puhallin on laskennallisesti riittävä. Vastaavasti on arveluttavaa mitoittaa laitteeseen huoltoa vaativaa ja vaurioherkkää nestejäähdytystä mikäli ilmajäähdytykselläkin pärjätään. On aina pidettävä mielessä, että kaikkein ihanteellisin jäähdytysratkaisu on vapaaseen konvektioon perustuva ilmajäähdytys, koska siinä ei ole liikkuvia osia, se on äänetön, varmatoiminen ja mikä parasta, se on ilmainen! Jäähdytyksen suunnittelussa on myös otettava tarkasti huomioon jäähdytettävän laitteen käyttöympäristö. Varsinkin ulkotiloissa käytettävien laitteiden tapauksessa on jäähdytysmenetelmän valinnassa oltava tarkkana. Huomioon otettavia seikkoja ovat mm. käyttöympäristön lämpötila, sen likaisuus/pölyisyys, tarvitaanko suljettua vesijäähdytystä vai riittäkö avoin vesikierto jne. Laitteen toimintajakso eli se osa kokonaisajasta, jolloin laite on päällä, on myöskin otettava huomioon jäähdytyksen suunnittelussa. Mikäli laitteen toimintajakso on alhainen, on laitteessa lämmöksi muuttuva häviöteho pienempi kuin laitteen nimellinen häviöteho. Esimerkiksi nimelliseltä häviöteholtaan 5 W oleva transistori kuluttaa ainoastaan 2 W tehoa, jos se on aktiivinen ainoastaan 40 % kokonaisajasta. On kuitenkin muistettava, että mitoituksellisesti on tärkeintä saada tieto siitä, saavuttaako komponentti toimintajakson aikana tasapainotilaa vastaavan käyttölämpötilan vai ei. Kun sähkölaite ei ole päällä, on se ympäristönsä kanssa termisessä tasapainotilassa eli laitteen lämpötila on sama kuin ympäristön lämpötila. Käynnistettäessä laitteen komponenttien ja samalla koko laitteen lämpötila alkaa nousta. Laitteen lämpötila jatkaa nousuaan kunnes saavutetaan tila, jossa jäähdytysjärjestelmän pois kuljettama lämpö on yhtä suuri kuin laitteen komponenttien yhteenlaskettu häviöteho. Tässä pisteessä laitteen sanotaan toimivan jatkuvuustilassa. Periodi, jossa laitteen lämpötila nousi, kutsutaan transienttivaiheeksi. Laitteen lämmönkehitys on esitettynä kuvassa 4.1.
39 T Jatkuvuustilaa vastaava lämpötila T(t) Transienttivaihe Jatkuvuustila Ympäristön lämpötila Aika, t Kuva 4.1. Sähkölaitteen lämpötilan kehitys ajan funktiona. Käynnistettäessä laitteen lämpötila vastaa ympäristön lämpötilaa. Laitteen käyttölämpötila nousee transienttivaiheen ajan kunnes saavutetaan jatkuvuustilaa vastaava toimintalämpötila. Laitteen toimintalämpötilan vaihteluista johtuvat lämpöjännitykset heikentävät laitteen luotettavuutta. Kokeellisten analyysien avulla on todettu, että yli 20 C toimintalämpötilan vaihteluun altistettujen sähkölaitteiden vikataajuus kasvoi kahdeksankertaiseksi. Lämpöjännitysten aiheuttamat mekaaniset värähtelyt ja lämpöiskut ovat myös yleisiä vikojen aiheuttajia ja näin ollen ne on myös otettava mitoituksessa huomioon. Suurin osa sähkö- ja elektroniikkalaitteista toimii yhtäjaksoisesti pitkiä jaksoja, jolloin niiden jäähdytysjärjestelmät mitoitetaan jatkuvuustilan mukaisesti. Toisaalta tietyissä sovelluksissa laitteet toimivat niin lyhyen ajan, etteivät ne ikinä saavuta termistä jatkuvuustilaa. Tällaisissa tapauksissa saattaa olla viisasta käyttää rajoitettua jäähdytystä, esim. lämpövarastoa, tai jättää jäähdytys kokonaan pois. Transienttinen käyttöjakso voi myös aiheutua ympäristön olosuhteiden suuresta vaihtelusta. Yleisesti käytetty ratkaisu transienttivaiheessa toimivien laitteiden jäähdyttämiseen on tehdä laitteen tai komponentin kotelo kaksinkertaiseksi siten, että kotelon seinämien välissä on sopivan sulamislämpötilan omaava vahakerros. Kun systeemin lämpötila ylittää vahan sulamislämpötilan, se sulaa ja absorboi suurimman osan systeemin lämmöstä itseensä viivästyttäen samalla systeemin ylikuumenemista merkittävästi. Systeemin lämpötilan laskiessa (laite pois päältä), vaha jähmettyy estäen samalla ulkopuolisen lämmön pääsyn systeemiin. 4.1 Terminen käyttöympäristö Jäähdytysmenetelmän valinnassa ja mitoituksessa on otettava huomioon laitteen termisen käyttöympäristön asettamat vaatimukset. Pienitehoisissa huoneen lämpötilassa toimivissa laitteissa, kuten TV-vastaanotin tai videonauhuri, jo pelkät kotelossa olevat ilmanvaihtoaukot ovat riittävät takaamaan laitteen jäähdytyksen. Lentokone-elektroniikan suunnittelu toimii esimerkkinä toisesta äärilaidasta, koska laitteiden käyttöolosuhteet muuttuvat parin minuutin aikana äärilaidasta toiseen. Toiminnan kesto vaativassa ympäristössä on myöskin tärkeätä tietää suunnitteluprosessia aloitettaessa.
40 Laivasovelluksissa, poislukien jäänmurtajat, terminen käyttöympäristö on varsin vakaa, sillä ulommaisena jäähdytysaineena toimiva vesi on aina lämpötila-alueella 0 C 30 C. Maan pinnalla toimivissa sovelluksissa jäähdytysaineena on ulkoilma, jonka lämpötila vaihtelee välillä 50 C ja + 50 C, riippuen tietysti käyttöpaikan maantieteellisestä sijainnista. Ulkoilman paine vaihtelee riippuen käyttöpaikan korkeudesta. Esimerkiksi 3000 metrin korkeudessa ilmanpaine on 70 kpa, kun taasen 500 metriä merenpinnan alapuolella ilmanpaine on 107 kpa. Yhdistetty konvektio- ja säteilylämmönsiirron huomioon ottava lämmönsiirtokerroin vaihtelee myös laajasti: tyynellä säällä lämmönsiirtokerroin on 10 W/m 2 K, kun tuulennopeudella 100 km/h lämmönsiirtokerroin voi olla jopa 80 W/m 2 K. Tämän lisäksi lämpövuo auringosta laitteen koteloon voi merenpinnan tasolla, riippuen sääolosuhteista, olla välillä 1370-1570 W/m 2. Ilmakehän ulkopuolella auringosta tuleva lämpövuo on välillä 1480 1570 W/m 2. Lentokonesovelluksissa terminen ympäristö saattaa nousun aikana muuttua muutamassa minuutissa maan pinnalla olevasta lämpötilasta 35 C ja ilmanpaineesta 100 kpa lämpötilaan 60 C ja ilmanpaineeseen 19 kpa. Yliäänisovelluksissa lentokoneen pintalämpötila saattaa nousta jopa 200 C maan pinnalla olevaa lämpötilaa korkeammaksi. Elektroniikkalaitteet eivät kuitenkaan ole suorassa kosketuksessa ympäristönsä kanssa, vaan itse laitteen ja sen ympäristön välisenä paikallisena jäähdytysaineena toimii ilma, vesi tai dielektrinen neste. Ihanteellisin jäähdytysaine on ilma, koska se on myrkytön, kaikkialla saatavissa eikä siinä ole vuotovaaroja. Ilmajäähdytyksen haittana on ilman vaatimaton lämmönjohtavuus, joten sen käyttö on rajoittunut pienitehoisiin laitteisiin. 4.2 Sähkölaitteiden jäähdytys eri sovelluksissa Sähkö- ja elektroniikkalaitteiden jäähdytysmenetelmät vaihtelevat laajasti riippuen sovelluksesta. Lentokone-elektroniikan jäähdytykseen käytetään yleisesti pakotettua konvektiota, jolloin jäähdytysaineena on kompressorin tuottaman paineilma. Koska kompressorista lähtevä paineilma on kuumaa, on se ensin jäähdytettävä kierrättämällä ilma turbiinin lävitse. Myös jäähdytysilmassa oleva kosteus poistetaan ennen kuin se johdetaan elektroniikkalaiteisiin. Useasti kosteudenpoisto ei ole riittävän tehokasta, jolloin jäähdytysilma ohjataan kulkemaan laitteen rivoitetun jäähdytyselementin kautta eikä jäähdytysilma ole siten suorassa kosketuksessa itse jäähdytettävän laitteen kanssa. Laivoissa ja sukellusveneissä elektroniikkalaitteet on suljettu lujatekoisiin kaappeihin, jotka samalla suojaavat laitteita merenkäynnin aiheuttamista iskuista ja värähtelyistä. Itse jäähdytys on toteutettu vesijäähdytetyillä lämmönsiirtimillä. Jäähdytysilma johdetaan lämmönsiirtimen kautta jäähdytettäviin kohteisiin puhaltimen avulla. Tätä jäähdytysmenetelmää käytettäessä on tärkeätä taata jäähdytysilmalle riittävä virtauskanava, jottei jäähdytettäviin kohteisiin muodostu paikallisia kuumia pisteitä ympäröiviä ilmapusseja. Suuritehoisissa mikroaaltosovelluksissa kuten tutkissa on syntyvä häviöteho erittäin suuri, johtuen niiden huonosta energianmuunnon hyötysuhteesta. Suuritehoisen radiotaajuusenergian muuntoon käytettävillä klystroneilla saattaa paikallinen lämpövuo olla jopa 2000 W/cm 2 eli 1/3-osa auringon pinnalta lähtevästä lämpövuosta. Jotta näin suuri häviölämpö saadaan turvallisesti siirrettyä pois kappaleesta on se jäähdytys yleensä toteutettu upottamalla lämmönlähde sopivaan dielektriseen nesteeseen, joka kykenee siirtämään lämmön pois jäähdytettävästä kappaleesta kiehumislämmönsiirron avulla.
41 Laite ja komponenttivalmistajat ilmoittavat datakirjoissaan maksimaalisen lämmönsiirtokyvyn ja suurimman sallitun käyttölämpötilan. Nämä kaksi arvoa auttavat meitä valitsemaan alustavasti sopivan jäähdytysmenetelmän. Yleisimmillä lämmönsiirtomekanismeilla saavutettavat lämpövuot tietyillä toimintalämpötiloilla on esitetty kuvassa 4.2. Kun laitteen tai komponentin häviöteho tiedetään saadaan sitä vastaava lämpövuo jakamalla häviöteho laitteen tai komponentin lämmönsiirtopinnalla. Ottamalla huomioon laitteen tai komponentin pinnan ja ympäristön välinen lämpötilaero saadaan laitteen jäähdytykseen soveltuva lämmönsiirtomuoto määritettyä kuvan 4.2 avulla. Esimerkiksi käytettäessä vapaaseen konvektioon perustuvaa ilmajäähdytystä elektroniikkakomponenttiin, jonka lämpövuo on 0.5 W/cm 2, olisi komponentin pinnan ja ympäröivän ilman välinen lämpötilaero 500 C, eli tämä lämmönsiirtomuoto ei tule kyseeseen. Jäähdytys on toisaalta mahdollista toteuttaa ilmajäähdytyksenä pakotetulla konvektiolla, mikäli vain puhaltimen käyttö on mahdollista. On kuitenkin huomattava, että lämpövuon ollessa 1 W/cm 2, on ilmajäähdytys pakotetullakin konvektiolla riittämätön ellei käytössä ole suurta jäähdytyslevyä. Suurten lämpövoiden tapauksessa onkin viisaampaa käyttää pakotettuun konvektioon perustuvaa nestejäähdytystä. Huomaa myös, että dielektriset nesteet kuten fluorokarbidit kykenevät siirtämään suuria lämpövoita ilman kiehumista, kun jäähdytettävä komponentti tai laite on upotettu siihen. Lämpötilaero [ C] 1000 800 600 400 200 100 80 60 40 20 10 8 6 4 Ilmajäähdytys, vapaa konvektio+säteily Upottaminen nesteeseen+ kiehuminen Ilmajäähdytys, pakotettu konvektio Upottaminen nesteeseen (fluorokarbidi), vapaa konvektio 2 1 0.01 0.02 0.04 0.1 0.2 0.4 1 2 3 4 6810 20 Lämpövuo kappaleen pinnassa [W/cm 2 ] Vesijäähdytys, pakotettu konvektio Kuva 4.2. Eri lämmönsiirtotavoilla saavutettavat lämpövuot erilaisilla jäähdytettävän kappaleen ja ympäristön välisillä lämpötilaeroilla.
42 5. Jäähdytys johtumislämmönsiirron avulla Laitteessa ja yksittäisessä komponentissa syntyy lämpötehoa aina kun sähkövirta kulkee sen läpi. Syntyvä lämpöteho aiheuttaa komponentin lämpötilan kasvun. Komponentin ja sen ympäristön välille syntyvä lämpötilaero pyrkii siirtämään lämmön pois komponentista pienimmän lämpöresistanssin kautta. Komponentin lämpötila stabiloituu, kun siinä syntyvä lämpö vastaa siitä lähtevää lämpötehoa. Jotta komponentin tai laitteen lämpeneminen saadaan minimoitua, on komponentin ja äärimmäisen jäähdytysaineen (yleensä ilma) välille tehtävä efektiivisiä lämmönsiirtoreittejä. Johtumislämmönsiirto perustuu molekyylien liikkeen aiheuttamasta lämmön diffuusiosta kiinteän kappaleen, nesteen tai kaasun sisällä. Johtumislämmönsiirrossa ei siten ole erillistä virtaavaa väliainetta. Tarkastellaan kertauksen vuoksi kuvan 5.1 esittämää tapausta, jossa lämpö johtuu levyn, jonka paksuus on L, lämmönsiirtopinta-ala A ja lämmönjohtavuus λ, läpi yksidimensioisena tapauksena. A q T 1 T 2 0 L q x T 1 T 2 R= L λa Kuva 5.1. Lämmön johtuminen levyn läpi yksidimensioisena tapauksena. Lämpöteholle voidaan sähköanalogian avulla kirjoittaa yhtälö T T q = λ A =, (5.1) L R missä lämpöresistanssi R on L R =. (5.2) λ A Lämpöresistanssien avulla johtumislämmönsiirtoa kuvaavat tehtävät saadaan siten ratkaistua sähköisten piirien ratkaisusta tutuiksi tulleiden resistanssiverkkojen avulla. Kun johtumalla
43 siirtyvä lämpöteho tunnetaan saadaan tutkittavan kappaleen pinnoilla tapahtuvaksi lämpötilaeroksi T = qr. (5.3) Suurin lämpötilaero löytyy siten paikoista, joissa on suurin lämpöresistanssi. 5.1 Johtuminen komponentin kotelossa Johtumislämmönsiirron analysointi yksittäisen komponentin kotelon sisällä alkaa sen liitoksesta eli paikasta, jossa lämpö syntyy. Liitoksessa syntyvä lämpö leviää liitoksesta kaikkialle piilastun sisään ja johtuu piilastun paksuuden läpi. Lämmön leviäminen liitoksesta piilastun sisällä on luonteeltaan kolmidimensioinen, mutta se voidaan approksimoida yksidimensioiseksi tapaukseksi liittämällä lämpöresistanssiverkkoon ns. rajoitettu lämpöresistanssi. Lämmön kehittyessä pienellä, halkaisijaltaan d olevalla pinnalla, joka on huomattavasti sitä suuremman kappaleen päällä, on rajoitettu lämpöresistanssi 1 Rrajoitettu =, (5.4) 2 π dλ missä λ on suuremman kappaleen lämmönjohtavuus. Piilastu on kiinnitetty kehykseen suuren lämmönjohtavuuden omaavalla sideaineella (lämpöpastat), joka takaa pienen lämpövastuksen lastusta kehykseen. Komponentin pinnien ja kehyksen välillä ei ole metalliliitosta, sillä se oikosulkisi komponentin. Siten lämpö siirtyy kehyksestä pinneihin dielektrisen kotelomateriaalin (muovi tai keraami) kautta. Lopulta lämpö siirtyy pois komponentista pinnien kautta. Kuvassa 5.2 on havainnollistettu lämmön johtumista komponentin kotelon sisällä. Liitos Kansi Liitosjohto Kotelo Lastu Pinni Lastun ja kehyksen liitos Kehys Kuva 5.2. Lämmön johtuminen komponentin kotelon sisällä. Kotelon sisällä on eristeaineena ilma. Lämmönsiirtotehtäviä ratkaistaessa on usein tehtävä joitakin yksinkertaistuksia koskien pääasiallista lämmönsiirtymissuuntaa sekä muiden suuntien osuutta kokonaislämmönsiirrossa. Esimerkiksi kuvan 5.2 tapauksessa lämmönsiirto kotelon kannen kautta jätetään yleensä ottamatta huomioon. Tämä johtuu siitä, että lämpöresistanssi liitoksesta kotelon sisällä olevan ilman kautta kotelon kanteen on hyvin suuri aiheuttaen hyvin pienen lämmönsiirron tätä kautta. Myös lämmönsiirto kotelon pohjasta ympäristöön jätetään usein ottamatta huomioon kotelomateriaalin alhaisen lämmönjohtavuuden vuoksi.
44 Liitoksen ja kotelon välisen lämpöresistanssin analyyttinen määrittäminen on käytännössä varsin monimutkaista ja se saattaa johtaa suureen virheeseen. Yleensä komponenttivalmistajat mittaavat liitoksen ja kotelon välisen lämpöresistanssin ja ilmoittavat sen komponentin datakirjassa. Kun R liitos-kotelo ja komponentin lämpöteho q tiedetään, saadaan liitoksen ja kotelon ulkopinnan välinen lämpötilaero laskettua yhtälöstä T = qr. (5.5) liitos kotelo liitos kotelo Liitoksen todellinen lämpötila riippuu ympäristön lämpötilasta T ympäristö sekä kotelon ja ympäristön välisestä lämpöresistanssista R kotelo-ympäristö. Tätä on havainnollistettu kuvassa 5.3. Kotelon ja ympäristön välisen lämpöresistanssin suuruus riippuu ympäristössä olevasta jäähdytysaineesta (esim. ilma tai vesi) sekä jäähdytysfluidin nopeudesta. Lopullinen liitoksen ja ympäristön välinen kokonaislämpöresistanssi muodostuu R liitos-kotelo :n ja R kotelo-ympäristö :n sarjaankytkentänä eli R = R R. (5.6) total liitos ympäristö = Rliitos kotelo + kotelo ympäristö Ympäristö Kotelo R kotelo-ympäristö Liitos q R liitos-kotelo Kuva 5.3. Liitoksen lämpötila riippuu ympäristön lämpötilasta, liitoksen ja kotelon sekä kotelon ja ympäristön välisistä lämpöresistansseista. Kuvassa 5.4 on esitettynä tyypillinen liitoksen ja ympäristön välisen lämpöresistanssin käyttäytyminen yksittäisen piirikorttiin liitetyn DIP (Dual-in-Line Package) tyyppisen komponentin osalta erilaisilla jäähdytysilman nopeuksilla ja pinnimäärillä. Käyrien leikkauspisteet y-akselin suhteen kuvaavat luonnollista konvektiota (jäähdytysilman nopeus nolla). Huomaa, että lämpöresistanssi ja siten myös liitoksen lämpötila pienenevät jäähdytysilman nopeuden kasvaessa.
45 Lämpöresistanssi R liitos-ympäristö [ C/W] 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 50 100 150 200 250 300 Jäähdytysilman nopeus [m/min] 8 pinniä 14 pinniä 16 pinniä 24 pinniä Kuva 5.4. Komponentin liitoksen ja ympäristön välinen lämpöresistanssi jäähdytysilman nopeuden ja pinnien lukumäärän funktiona. 5.2 Johtuminen piirikorteissa Yksittäisistä komponenteista koostuvat elektroniikkapiirit kiinnitetään eristemateriaalista tehtyihin piirikortteihin, jotka ovat lämmönjohtavuudeltaan varsin huonoja. Piirikorttien jäähdytys toteutetaan tavallisesti pakotetulla konvektiolla käyttämällä ilmajäähdytystä (puhallin) tai upottamalla kortit dielektriseen nesteeseen. Näissä tapauksissa piirikortissa olevat komponentit jäähdytetään suoraan, joten lämmön johtuminen itse piirikortissa ei ole ongelma. On kuitenkin sovelluksia, joissa piirikortit on asennettu tiiviiseen koteloon, jolloin lämpö siirtyy johtumalla piirikortteja pitkin koteloon kiinnitettyyn jäähdytyslevyyn. Johtumislämmönsiirto piikortin leveyssuunnassa on merkityksettömän pieni, joten lämpö pyrkii siirtymään kortin pituussuunnassa sen perään kiinnitettyyn kylmään levyyn, joka toimii ulkoisena lämmönsiirtimenä. Johtumislämmönsiirto piirikortissa on varsin monimutkainen ilmiö, koska lämmön syntyminen piirikortilla on epätasainen johtuen eri komponenttien erilaisista häviötehoista. Käytännön mitoituksen kannalta saavutetaan kuitenkin riittävän tarkkoja tuloksia käyttämällä jo tutuksi tulleita lämpöresistanssiverkkoja yhdessä tai useammassa dimensiossa. Analysoitaessa lämmön johtumista kuparipäällysteisen (yksi tai kaksipuolinen) piirikortin tapauksessa herää kysymys, voidaanko lämmönsiirto varsinaisessa piirikorttimateriaalissa, jonka lämmönjohtavuus on n. 1500 kertaa kuparia pienempi, jättää ottamatta huomioon. Vastaus riippuu kunkin kerroksen poikkipinta-alasta, sillä johtumalla siirtyvä lämpöteho riippuu lämmönjohtavuuden lisäksi myös lämmönsiirtoon käytettävissä olevasta poikkipintaalasta. Tarkastellaan kuvan 5.5 esittämää yksipuolisen kuparoinnin omaavaa piirikorttia, jonka pituus on L ja leveys on w. Piirikortilla on lämpötilaero T. Oletetaan, että lämpö siirtyy johtumalla ainoastaan kortin pituuden L suunnassa. Johtumalla siirtyvä lämpöteho on kupari ja epoksin kautta siirtyvien lämpötehojen summa eli
46 q kortti = q epoksi + q kupari T = λ A L epoksi T + λa L T [( λa) + ( λa) ] = ( λt) ( λt) [ ] kupari w T = epoksi kupari epoksi + kupari. L L (5.7) w L t epoksi epoksi kupari q t kupari Kuva 5.5. Lämmön siirtyminen johtumalla kuparipäällysteisessä piirikortissa. Yhtälön (5.7) mukaisesti johtumalla siirtyvät lämpötehot eri kerroksissa riippuvat kerrosten paksuuden ja lämmönjohtavuuden tulosta. Mikäli tulo λt on kuparille 100 kertaa suurempi kuin epoksille, voidaan epoksin kautta siirtyvä lämpöteho jättää ottamatta huomioon. Yksinkertaistuksesta aiheutuva virhe on ainoastaan 1 %. Kuparoidulle piirikortille voidaan myös määrittää efektiivinen lämmönjohtavuus = ( λt) + ( λt) epoksi kupari λ eff, (5.8) tepoksi + tkupari jolloin piirikortissa johtumalla siirtyvälle lämpöteholle voidaan kirjoittaa q ( t + t ) w T T = λeff epoksi kupari λeff Apiirikortt i, (5.9) L L piirikortt i = missä A piirikortti = w(t epoksi + t kupari ) on lämmönsiirtoon käytettävä pinta-ala. Mikäli piirikortissa on reikiä tai muita epäjatkuvuuskohtia, on niiden vaikutuksen huomioon ottamiseksi edellä esitettyä analyysiä hieman modifioitava. 5.2.1 Piirikorttien jäähdytyslevyt Sovelluksissa, jolloin komponenttien liitoslämpötilat on pidettävä suhteellisen matalina ja kun piirikorttien jäähdytys pakotetulla konvektiolla ilman tai dielektrisen nesteen avulla ei ole mahdollista käytetään kuparoinnin asemesta paksua jäähdytyslevyä. Tämä on yleistä varsinkin suuritehoisten monikerroskorttien tapauksessa. Jäähdytyslevyn avulla johtumalla jäähdytettävän piirikortin poikkileikkaus on esitettynä kuvassa 5.6. Komponenteissa syntyvä lämpö johtuu piirikortin ja sideaineen läpi
47 jäähdytyslevyyn keskelle, josta se kulkee jäähdytyslevyä pitkin lopulliseen jäähdytyselementtiin tai kylmään levyyn, joka on ulkoisesti jäähdytetty. Komponentit Piirilevy Sideaine Kylmä levy Jäähdytyslevy Kuva 5.6. Piirilevyn jäähdytys erillisen jäähdytyslevyn avulla. Jäähdytyslevy tarjoaa lämmölle pienen lämpöresistanssin omaavan reitin piirikortista lopulliseen jäähdytyselementtiin. Mitä paksumpi jäähdytyslevy on, sitä pienempi on se lämpöresistanssi ja siten sitä pienempi lämpötilaero syntyy jäähdytyslevyn keskipisteen ja sen reunojen välille. Mikäli lämpökuorma on jakaantunut tasaisesti kaikkialla piirikortissa, on sen lämpötila symmetrinen poikkileikkauksen keskiviivan suhteen ja piirikortin ja jäähdytyslevyn välinen lämpötilaero on luonteeltaan parabolinen. Piirikortin keskipisteessä olevat komponentit toimivat siten korkeimmassa lämpötilassa ja piirikortin reunoilla olevat komponentit ovat matalimmassa lämpötilassa. Mikäli lopullinen jäähdytyselementti on asennettuna piirikortin molemmille reunoille, niin kortin vasemmalla puoliskolla syntyvä lämpöteho virtaa jäähdytyslevyä pitkin kohti vasenta jäähdytyselementtiä ja oikealla puoliskolla syntyvä lämpöteho vastaavasti kohti oikeata jäähdytyselementtiä (1D-tapaus). Kaksidimensioiseen lämmönsiirtotehtävään joudutaan, mikäli piirikortti jäähdytetään sen jokaisesta neljästä sivusta. Jäähdytyslevyä käytettäessä lämpö siirtyy johtumalla piirikortin epoksikerroksen läpi sen paksuussuunnassa, joten epoksikerroksen lämpöresistanssi on huomattavasti pienempi kuin tapauksissa, joissa lämpö johtuu epoksikerroksen pituussuunnassa. Epoksikerroksen lämpöresistanssia voidaan vielä tästäkin pienentää tekemällä epoksikerrokseen reikiä ja täyttämällä ne kuparilla. Reiät ovat yleensä halkaisijaltaan n. 1mm ja niiden keskipisteet ovat muutaman mm päässä toisistaan. Piirikorttien jäähdytys johtumislämmönsiirron avulla voidaan myös toteuttaa kuvan 5.7 mukaisesti siten, että molemmin puolin komponentteja sisältävän piirikortin keskiosaan on asennettu kuparista tai alumiinista tehty sydänlaatta, joka puolestaan on kiinnitetty jäähdytyselementtiin. Lämpökuorma tässä tapauksessa on kaksinkertainen verrattuna tapaukseen, jossa komponentteja on vain piirilevyn yhdellä puolella. Komponenteissa syntyvä häviölämpö siirtyy johtumalla piirilevyn läpi metalliseen sydänlaattaan, joka toimii tehokkaana lämmönsiirtoreittinä piirilevyn ja jäähdytyselementin välillä. Sydänlaatan paksuus on valittava siten, että komponenttien toimintalämpötila pysyy niille määrätyn maksimilämpötilan alapuolella.
48 Komponentit Piirilevy Metallinen sydänlaatta Piirilevy Jäähdytyselementti Kuva 5.7. Kaksipuolinen johtumislämmönsiirron avulla jäähdytettävä piirilevy, jonka keskellä on metallinen sydänlaatta. 5.3 TCM (Thermal Conduction Module) Käsitellään vielä lyhyesti suuritehoisten piirien jäähdytystä. Komponenttien pakkaustiheyden kasvu on kasvattanut yksittäisten piisirujen lämpövuon useisiin kymmeniin W/cm 2, joten perinteiset pakotettuun konvektioon perustuvat ilmajäähdytysratkaisut ovat suuritehoisissa laitteissa riittämättömiä. Kehityksen tuloksena IBM lanseerasi TCM-moduulin, joka poikkeaa ratkaisultaan huomattavasti perinteisistä jäähdytysmenetelmistä. TCM on toteutettu siten, että sirun toinen puoli on varattu kokonaisuudessaan johdotukselle ja toinen puoli lämmönsiirtoon. Siru on siten suorassa kosketuksessa jäähdytysjärjestelmän kanssa, jolloin liitoksen ja kotelon välinen lämpöresistanssi minimoituu. TCM kattaa yleensä yli 100 monikerroksiselle keraamisubstraatille liitettyä logiikkasirua, joista jokainen muodostaa n. 4 W lämpötehoa. Lämmönsiirto sirusta metalliseen koteloon on toteutettu männällä, joka on puristettu ulkokuoreen ja sirun väliin jousen avulla. Männän kärki on pyöristetty, jolloin varmistetaan hyvä lämpökontakti vaikka siru olisi kallellaan tai väärin suunnattu. Sirun ja männän välinen lämmönsiirto tapahtuu pääosin niiden välissä olevan suojakaasun kautta. Suojakaasuna käytetään heliumia, jonka lämmönjohtavuus on kuusi kertaa ilman lämmönjohtavuutta korkeampi. Lämpö siirtyy johtumalla männästä suojakaasun kautta koteloon ja siirtyy lopulta TCM moduulin yläpuolella olevaan jäähdytysaineeseen (vesikierto). TCM moduulin rakenne ja sitä vastaava lämpöresistanssiverkko ovat esitettyinä kuvassa 5.8.
49 Kylmä levy Jäähdytysaine R ulkoinen Välittäjä Hattu Jousi R wh Mäntä R ph R sisäinen Helium Kärki R t R gp Siru R c Substraatti Kortin pinnit Kuva 5.8. TCM-moduulin rakenne ja sitä kuvaava lämpöresistanssiverkko. TCM-moduulin sisäinen lämpöresistanssi R sisäinen on noin 8 C/W. Siten sirun ulkopinnan ja moduulin suojakuoren ulkopinnan lämpötilaero on ainoastaan 24 C, mikäli sirun lämpöteho on 3 W. TCM-moduulin ulkokuoren ja jäähdytysaineen välinen ulkoinen lämpöresistanssi on suuruudeltaan samaa luokkaa kuin sisäinen lämpöresistanssi. Sirun liitoksen ja sen ulkopinnan lämpöresistanssin voidaan arvioida olevan 1 C/W. TCM:n suurin etu on, että sen avulla voidaan minimoida eri sirujen välinen etäisyys ja siten maksimoida moduulin toimintanopeus.