3 1. Johdanto Lähes kaikki moderniin elämään kuuluvat hyökkeet leluista tietokoneisiin sisältävät elektroniikkaa. Tarkasteltaessa yksittäisen useista erilaisista sähkö- ja elektroniikkapiireistä koostuvan laitteen luotettavuutta, on juuri elektroniikan luotettavuus kaikkein tärkein yksittäinen osatekijä. Sähkövirran kulkiessa yksittäisen komponentin läpi, syntyy siinä Ohmin lain mukaan häviöteho, joka aiheuttaa komponentin lämpenemisen, jolloin on aina olemassa vaara komponentin ylikuumentumiselle ja siten sen termiselle tuhoutumiselle. Puolijohdetekniikan kehittyminen on mahdollistanut komponenttien pakkaustiheyden räjähsmäisen kasvun ja siten myös komponenttien häviöteho tilavuusyksikköä kohti on kasvanut tasolle, joka on vertailukelpoinen jopa ydinreaktorista saatavaan arvoon. Mikäli laitetta ei sitä suunniteltaessa ole mitoitettu termisesti järkevällä tavalla, voivat suurten häviötehojen aiheuttamat korkeat toimintalämpötilat vaarantaa koko laitteen luotettavuuden ja siten myös laitteen käyttöturvallisuuden. Sähkölaitteen vikataajuus kasvaa kuvan 1.1 mukaisesti eksponentiaalisesti lämpötilan funktiona. Korkeat toimintalämpötilat aikaansaavat muutoksia komponenttien sähköisissä parametreissa ja omalta osaltaan rajoittavat komponenttien saatavuutta. Korkeat toimintalämpötilat aiheuttavat myös kemiallisten reaktioiden (esim. diffuusio) kiihtymisen sekä mekaanisia ongelmia, kuten mekaaniset jännitykset piirikorttien juotoksissa. Tämän takia laitteen terminen suunnittelu on noussut yhdeksi kaikkein tärkeimmistä sähkö- ja elektroniikkalaitteiden suunnitteluperustaksi. vikataajuus lämpötilassa T Vikataajuus f T = vikataajuus lämpötilassa T = 75 C 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 20 40 60 80 100 120 140 Lämpötila, C Kuva 1.1. Sähkölaitteiden vikataajuus lämpötilan funktiona. 1.1 Katsaus elektroniikan ja termisen laitesuunnittelun historiaan Elektroniikan synnyn voidaan katsoa alkaneen vuonna 1883, jolloin Thomas Edison kehitti tyhjödiodin. Sen jälkeen kehitetty elektroniputki, joka oli useiden elektroniikkateollisuuden alkutaipaleella syntyneiden keksintöjen (radio, televisio ja tutka) sydän, oli elektroniikkateollisuuden keskeisin komponentti 1950 luvulle asti. Elektroniputkilla toteutettiin myös useita tietokoneita, joista kuuluisin on Pennsylvanian yliopistossa vuonna
4 1946 rakennettu ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer). ENIAC koostui yli 18 000 elektroniputkesta ja sen vaatima huonetila oli 98 m 2, ja kuten tyypillistä tuon ajan sähkölaitteille, sen luotettavuus oli varsin heikko, johtuen juuri elektroniputkien suuresta vikatiheydestä. Vuonna 1948 tapahtuneen transistorin keksimisen myötä alkoi elektroniikkateollisuudessa uusi aika. Transistoripiirit korvasivat elektroniputket luotettavuutensa, pienemmän tilantarpeen ja pienemmän energiankulutuksen ansiosta. Ensimmäiset transistorit valmistettiin germaniumista. Niiden ongelmana oli huono toimivuus yli 100 C lämpötilassa, joten germanium korvattiin varsin pian huomattavasti korkeampia käyttölämpötiloja kestävällä piillä. Elektroniikkateollisuuden seuraava käännekohta ajoittuu vuoteen 1959, jolloin integroidut piirit (IC = Integrated Circuits) esiteltiin. Integroitujen piirien pakkaustiheys on niiden keksimisen jälkeen kasvanut hurjaa vauhtia, eikä kaukana tulevaisuudessa saavutettavaa pakkaustiheyden maksimia osaa vielä kukaan ennustaa. 1960-luvun MSI-piireissä (Medium Scale Integration) oli 50 1 000 komponenttia per siru ja 1970-luvun LSI-piireissä (Large Scale Integration) komponentteja oli 1 000 100 000 sirua kohden. 1980-luvulla kehitetyissä VLSI-piireissä (Very Large Scale Integration) komponenttien määrä sirua kohden oli kasvanut jo 100 000 10 000 000 kappaleeseen. 10 10 GSI 10 9 Komponenttien määrä yhdessä lastussa 10 8 10 7 10 6 10 5 10 4 10 3 10 2 10 1 ULSI VLSI MSI SSI 1960 1970 1980 1990 2000 Vuosi Kuva 1.2. Yhteen piisiruun pakattujen komponenttien määrän kehitys. Tähän asti merkittäväin kulmakivi elektroniikan ja koko sähkötekniikan alalla tapahtui 1971 Intel Corporationin kehitettyä mikroprosessorin. Yhä tehokkaampien prosessorien kehityksen ja niiden hinnan halpenemisen myötä niitä löytyy jo lähes kaikista arkielämässä käytettävistä sähkölaitteista. Virran I kulkiessa resistanssin R läpi syntyy aina tuloon I 2 R verrannollinen lämpöteho. Ensimmäistä transistoria mainostettiin lähes häviöttömänä komponenttina. Ilmaisu on varsin osuva, koska yksittäisen transistorin häviöteho oli mitättömän pieni vertailtaessa sitä suuren häviötehon omaavaan elektroniputkeen. Kun tuhansia tai jopa miljoonia transistoreja pakataan
5 pieneen tilavuuteen, ei niiden yhteensä muodostamaa häviötehoa voida enää pitää mitättömänä, vaan häviötehon poisto tulee yhdeksi kaikkein tärkeimmistä laitetta suunniteltaessa huomioon otettavista seikoista. Lämpövuo eli lämpöteho pinta-alayksikköä kohden vaihtelee sähkölaitteissa välillä 1 W/cm 2 100 W/cm 2. Resistanssissa syntyy lämpöä niin kauan kun virta kulkee sen läpi. Tätä seuraa komponentin sisäinen lämmönmuodostus ja lämpötilan nousu komponentissa ja sen ympäristössä. Mikäli lämpöä ei poisteta komponentista sen lämpötila kasvaa kunnes komponentti tuhoutuu. Komponentin lämpötila pysyy vakiona mikäli siinä syntyvän lämmön määrä on yhtä suuri kuin siitä poistettu lämpö. Yksittäisissä komponenteissa ei ole liikkuvia osia, eikä siten mitään, joka voi ajan myötä kulua loppuun. Siten elektroniikkakomponentit ovat luonnostaan luotettavia ja huoneenlämpötilassa toimiessaan ne kestävät vuosikausia. Joutuessaan toimimaan pitkän aikaa korkeassa lämpötilassa ne kuitenkin hajoavat. Kuten kuvassa 1.1 oli esitettynä, komponenttien vikataajuus kasvaa eksponentiaalisesti lämpötilan funktiona. Mahdollisia vikaantumissyitä ovat puolijohdemateriaalin diffuusio, kemialliset reaktiot ja juotosten viruminen. Voidaankin todeta, että mitä matalampi laitteen toimintalämpötila on, sitä luotettavampi se on toiminnaltaan. Nyrkkisääntönä voidaan mainita, että yksittäisen elektroniikkakomponentin vikataajuus puolittuu aina, kun komponentin lämpötila laskee 10 C. 1.2 Termisen laitesuunnittelun filosofiaa Useiden elektroniikkaa valmistavien yhtiöiden tulevaisuus riippuu erittäin paljon niiden kyvystä tuottaa tekniikoita, joiden avulla aikataulut, suorituskyky, testit, valmistus, käyttökustannukset, luotettavuuden arviointi ja laadunvalvonta saadaan otettua huomioon jo tuotekehityksen alkuvaiheessa. Termisen laitesuunnittelun kannalta keskeisin kysymys kuuluu, miten laitteen toimintalämpötilan arviointi mahtuu tähän kuvioon mukaan? Kysymys on erittäin tärkeä, sillä laitteen käyttölämpötila vaikuttaa mm.: sähköisiin materiaaliominaisuuksiin sekä komponenttien toimintaan turvallisuuteen vikaantumiseen. Kuvassa 1.3 on esitettynä perinteinen yritys ja erehs menetelmään perustuva tuotekehitysprosessi sekä ideaalinen, suunniteltavan laitteen termisen mitoituksen huomioon ottava tuotekehitysprosessi.
6 Sähkö- ja mekaniikkasuunnittelu Prototyyppi Terminen testaus Valmis tuote Perinteinen tuotekehitysprosessi Sähkö-, mekaniikkaja terminen suunnittelu Prototyyppi Valmis tuote Ideaalinen tuotekehitysprosessi Kuva 1.3. Perinteisen ja ideaalisen tuotekehitysprosessin vuokaavio. 1.2.1 Miksi termisen laitesuunnittelun merkitys on korostunut Termisestä laitesuunnittelusta on tullut kuuma puheenaihe lähes kaikilla elektroniikkaa hyöntävillä teollisuuden aloilla, koska laitteiden luotettavuudelle ja niiden funktionaalisuudelle asetetaan yhä suurempia vaatimuksia. Kehityssuunta ei ole rajoittunut ammatti- ja kulutuselektroniikkaan, vaan se sisältää myös mm. autoelektroniikan ja kotitaloudessa käytettävät sovellukset. Rakenteeltaan kompleksisten elektroniikkalaitteiden jäähtys on vaikeutunut, johtuen juuri komponenttien pakkaustiheyden ja siten myös saavutettavien lämpövoiden kasvusta sekä pyrkimyksestä minimoida laitteiden vikaantuminen. Tämän lisäksi uudet tuotteet on saatava markkinoille aina vaan lyhyemmässä ajassa ja pienemmillä kustannuksilla. Esimerkiksi tuotekehityksen loppuvaiheissa esiin tuleva vaurio on erittäin kallis ratkaista jälkikäteen. Nyrkkisääntönä voidaan pitää, että jokaisen uuden vaiheen kustannukset on kerrottava kymmenellä, kun ne lisätään tuotekehitysprosessin kokonaiskustannuksiin. Kustannukset heijastuvat tietenkin suoraan tuotteen hintaan, mutta mikä pahinta, myös tuotteen markkinoille saattaminen viivästyy. Siten termisten uudelleenmitoitusten välttäminen potentiaalisten ongelmakohtien kartoittamisella on yritykselle erittäin hyvä investointikohde. Termisen laitesuunnittelun merkityksen korostumiseen vaikuttaa useita tekijöitä. Yksiselitteisyyden vuoksi jaamme tärkeimmät osatekijät kolmeen kategoriaan. Teknologiset syyt Systeemitasolla suunnittelijat pyrkivät saavuttamaan etua käyttämällä kevyitä materiaaleja (muovi), koteloimalla laitteet erittäin tiiviisti, minimoimalla laitteiden aiheuttama melu, lisäämällä laitteiden ominaisuuksia, kasvattamalla laitteiden suorituskykyä ja tekemällä laitteet mahdollisimman pienikokoisiksi. Komponenttivalmistajan kannalta komponenttien koon jatkuva pienentyminen logiikkapiirien tehon ollessa samaan aikaan maksimissaan aiheuttaa puolestaan ongelmia komponentin liitoksen ja kotelon välisen lämpöresistanssin minimoinnissa. Logistiset syyt Historiallisista syistä johtuen sähköinen ja mekaaninen suunnittelu on aina tehty läheisessä yhteistyössä, jotta laitteen toiminnalle asetetut mekaaniset ja sähköiset vaatimukset on voitu yhdistää jo suunnittelun alkuvaiheessa. Terminen suunnittelu on usein tullut mukaan vasta silloin, kun laitteen testausvaiheessa on havaittu lämpötilasta aiheutuvia ongelmia.
7 Viimeisen kymmenen vuoden aikana tietokoneavusteiset suunnittelutyökalut ovat kehittyneet tasolle, jolloin suurin osa käytännön suunnittelutyöstä voidaan tehdä tietokoneella ilman kallista prototyypitystä. Ideaalisessa tapauksessa näillä suunnittelutyökaluilla olisi mahdollista tehdä rinnakkaissuunnittelua siten, että kaikki suunnitteluperusteet voitaisiin ottaa esisuunnittelussa huomioon ja niiden keskinäistä vaikutusta voitaisiin tutkia ennen varsinaisen prototyypin valmistusta. Täten tuotekehitysprosessiin käytettävä aika minimoituisi. Rinnakkaissuunnittelu vaatisi kuitenkin luotettavien komponenttimallien olemassaoloa. Fysikaaliset syyt Useissa laitteissa käytetään ilmajäähtystä, jolloin tarve maksimoida jäähtyksen suorituskyky ja samalla minimoida jäähtyselementtien kustannukset ovat aiheuttaneet, että useat jäähtyselementit ja tuulettimet on mitoitettu lähelle niiden fysikaalisen suorituskyvyn äärirajaa. On oletettavissa, että komponenttien pakkaustiheyden kasvun jatkuessa, ilmajäähtyksen äärirajat saavutetaan piakkoin. Tällöin suunnittelijoiden on oltava entistä paremmin tietoisia laitteen toimintalämpötilasta ja lämpötilan vaikutuksesta laitteen käyttövarmuuteen, jotta kalliilta uudelleenmitoitukselta voidaan välttyä. Seuraavassa luvussa teemme katsauksen lämmönsiirron perusteisiin, sillä termisen laitesuunnittelun kannalta on ensisijaisen tärkeätä tuntea mekanismit, joilla lämpö siirtyy yksittäisen komponentin sisällä ja lopulta komponentista jäähtyslevyyn tai vastaavaan. Lämmönsiirtoa käsittelevä luku antaa lukijalle myös peruslähtökohdat sähköteknisten laitteiden jäähtyksen suunnittelua varten. Oppikirjan loppuosassa käsittelemme lämmönsiirtoa komponenttien ja laitteiden sisällä sekä teemme katsauksen olemassa oleviin jäähtysmenetelmiin ja niiden toteutukseen.
8 2. Lämmön siirtymisen perusteet Edellytyksenä lämmön siirtymiselle on, että on olemassa lämpötilaero. Tällöin tapahtuu nettolämmönsiirtoa korkeammasta lämpötilasta alhaisempaan lämpötilaan. Lämmönsiirto on itsestään tapahtuva ja siten palautumaton prosessi. Lämmön siirtymisessä erotetaan pääasiallisesti kolme eri esiintymismuotoa: johtuminen konvektio säteily. 2. 1 Lämmön johtuminen kiinteässä kappaleessa Lämmön johtuminen tapahtuu systeemin sisällä tai systeemistä toiseen suoraan molekyylien keskinäisten törmäysten välityksellä ilman aineensiirtoa. Lämmön johtuminen on täysin analogista sähkön johtumisen kanssa ja samoja käsitteitä ja laskentamenetelmiä voidaan käyttää. Aineen lämmönjohtavuus on fysikaalinen ominaisuus, joka kuvaa aineen kykyä johtaa lämpöä. Lämmönjohtavuus on yleisesti ottaen lämpötilan ja paikan funktio, mutta usein systeemi ajatellaan homogeeniseksi niin, ettei lämmönjohtavuus riipu paikasta, ja myös pienillä lämpötilaeroilla pidetään lämmönjohtavuutta vakiona. Aineen lämmönjohtavuus λ h (T) määritellään Fourierin yhtälöllä '' = λ h T, (2.1) missä lämpövuo '' on positiivinen alenevan lämpötilagradientin T suuntaan eli lämpö pyrkii tasaantumaan siirtymällä kuumemmasta kylmempään. Tästä päästään lämmön johtumisen differentiaaliyhtälöön tarkastelemalla kuvassa 2.1 esitettävää pientä tilavuusalkiota d. Mikäli tilavuusalkiossa esiintyy lämpötilaeroja, tapahtuu vastakkaisten pintojen välillä lämmön johtumista Fourierin lain mukaisesti. Johtumalla siirtyvät lämpötehot vastakkaisten pintojen läpi voidaan ilmoittaa Taylorin sarjan avulla. Jätetään korkeamman asteen termit merkityksettömän pieninä pois ja merkitään johtumalla suuntiin, y ja z siirtyvät lämpötehot seuraavasti + d = + d, (2.2a) y y+ = y +, (2.2b) y z z+ = z +. (2.2c) z
9 d z + d + d d y + d z d y y d d z Kuva 2.1. Tilavuusalkioon d kohdistuvat lämpövirrat. Tilavuusalkiossa saattaa myös muodostua lämpöä. Esimerkiksi sähkövirran kulkiessa johtavan kappaleen läpi toimivat kappaleen ohmiset häviöt lämmönlähteenä. Mikäli tilavuusyksikössä muodostuva ominaislämpöteho on ''' (,y,z), muodostuu tarkasteltavassa tilavuusalkiossa lämpöteho = ''' g d. (2.3) Osa alkioon tulevasta lämpötehosta varastoituu alkioon ja osa siirtyy johtumalla toisiin alkioihin. Alkioon varastoituva lämpöteho st transienttisessa tapauksessa on st = ρmasscp d, (2.4) missä c p on materiaalin ominaislämpökapasiteetti ja ρ mass on materiaalin tiheys. Aineen kykyä johtaa lämpöä suhteessa kykyyn varastoida lämpöenergiaa kuvataan termisellä diffusiviteetilla α t, joka määritellään α = t λh ρ c. (2.5) mass p Aineet, joilla on suuri terminen diffusiviteetti, reagoivat nopeasti ympäristössään tapahtuviin termisiin muutoksiin. Pienen termisen diffusiviteetin omaavien aineiden tapauksessa termisen muutoksen jälkeinen tasapainotilan saavuttaminen kestää pidempään. Taulukossa 2.1 on esitettynä eräiden materiaalien lämpöteknisiä ominaisuuksia.
10 Taulukko 2.1. Eräiden materiaalien lämpöteknisiä ominaisuuksia lämpötilassa 300 K. ρ mass (kg/m 3 ) c p (J/kgK) λ h (W/mK) α t (m 2 /s) Alumiini 2702 903 237 97.1E-6 Kupari 8933 385 401 117E-6 Rauta 7870 447 80.2 23.1E-6 Hiiliteräs AISI 1010 7832 434 63.9 18.8E-6 Ruostumaton teräs AISI 302 8055 480 15.1 3.91E-6 Termonamiikan ensimmäisen pääsäännön mukaisesti systeemille voidaan kirjoittaa energiatase, jonka mukaisesti systeemiin tuodun in ja siinä kehittyneen energian g summan on oltava yhtä suuri kuin systeemistä otetun out ja siihen varastoituneen st energian summa in + g out = st. (2.6) Yhtälö (2.6) voidaan kirjoittaa + ''' + d + d y+ z = ρmass cp d. (2.7) + y z + Lisäämällä yhtälöt (2.2a)-(2.2c) yhtälöön (2.7) saadaan y z ''' d + d = ρmass cp d. (2.8) y z Johtumalla siirtyville lämpötehoille voidaan kirjoittaa Fourierin lain mukaisesti y z = λh, (2.9a) = λhy d, (2.9b) y = λhz d. (2.9c) z Lisäämällä yhtälöt (2.9a)-(2.9c) yhtälöön (2.8) saadaan yleinen kolmidimensioinen lämmön johtumisen differentiaaliyhtälö λ + λ y λ ''' + + = ρ y z z h hy hz mass p c. (2.10) Mikäli lämmönjohtavuus λ h on yhtä suuri kaikkiin suuntiin, kuten yleensä laskuissa oletetaan, voidaan yhtälö (2.10) kirjoittaa muotoon λh 2 ''' T T + = ρmass cp. (2.11)