Dominando la Gestión Térmica para Electrónica de Alto Rendimiento

Introducción:

Todos los dispositivos funcionan generando calor como subproducto. Para mantener estos dispositivos sin sobrecalentarse, se requiere gestión térmica. La eficiencia de un dispositivo es inversamente proporcional a la temperatura. Posteriormente, los componentes de alto rendimiento generan calor que puede reducir la vida útil del dispositivo y reducir la eficiencia. Por lo tanto, necesitamos mantener la temperatura bajo control eliminando el calor generado de estos dispositivos.

Con el tiempo, nuestros dispositivos se han vuelto más pequeños, pero con mayor funcionalidad. Esto llevó a un procesamiento más rápido y, como resultado, más generación de calor con mayor consumo de energía. De manera similar, los implementos también se han miniaturizado para disipar calor y pueden convertirse en un desafío para los ingenieros. Generalmente, la disipación de calor debe ser proporcional a la disipación de potencia, según la ecuación de potencia. Los tres principales problemas que enfrentan los ingenieros en la gestión de disipación de potencia incluyen PCBs densos, mayor densidad de chips IC y los tamaños y movilidad de los dispositivos.

Algunos componentes producen bajas cantidades de calor mientras que otros dispositivos producen cantidades relativamente mayores de calor. Por lo tanto, se deben tomar medidas para prolongar su vida útil y fiabilidad. Usualmente, los componentes eléctricos aislados que producen calor lo harán hasta que el calor producido dentro del dispositivo sea igual al calor perdido al entorno y el dispositivo alcance el equilibrio. El calor usualmente se genera debido a la resistencia al flujo de electrones en el material. Menor resistencia, mayor conductividad y menor calor generado. Esto está probado por la ley de Joule H=I²Rt.

Gestión Térmica en Dispositivos:

La gestión del calor es una parte importante del diseño electrónico. Para asegurar la eficiencia y precisión de componentes y puntos calientes del sistema, el exceso de calor debe transportarse lejos de ellos. Los ingenieros pueden usar diseño térmico inteligente para reducir errores relacionados con el calor. Hay tres fuerzas impulsoras estrictas que exigen materiales para la gestión térmica.

Primero, para mejorar la velocidad, los diseñadores comprimieron el núcleo de los microprocesadores a tamaños más pequeños. Esto nos da mayor generación de calor por unidad de área. Como resultado, la caída de temperatura causada por conducción dentro del microprocesador y el disipador de calor se vuelve comparable a la caída de temperatura máxima permitida. Segundo, hay un aumento en el ascenso de temperatura a través de la interconexión entre transistores. Esto es debido al aumento de capas metálicas y densidades de corriente crecientes entre interconexiones. Tercero, hay un aumento en el ascenso de temperatura dentro de tecnologías de transistores contemporáneas y planificadas. Una disminución en las dimensiones del canal conduce a mayor densidad de potencia y no equilibrio electrón-fonón dentro de los dispositivos. Estos plantean desafíos para la investigación en materiales y física de estado sólido.

Enfriamiento de Electrónica:

Según la ley de enfriamiento de Newton, la tasa de pérdida de calor es proporcional a la diferencia de temperatura entre el cuerpo y su entorno. A medida que la temperatura del cuerpo sube, también lo hace la pérdida de calor. Cuando la tasa de pérdida de calor está en equilibrio con la tasa de calor producido, el dispositivo alcanza su temperatura de equilibrio. Esta temperatura puede reducir la vida útil de los componentes y ciertas medidas deben tomarse para la gestión térmica.

Una forma de controlar la temperatura en circuitos o dispositivos es aumentar el flujo de aire a través de ventilación. Esto resultará en temperaturas de operación más bajas. También tenga en cuenta que la densidad atmosférica reducida a altitudes más altas resulta en una transferencia de calor menos efectiva al entorno y temperaturas de operación más altas. Hay varias formas de enfriar dispositivos como disipadores de calor, enfriadores termoeléctricos, sistemas de aire y ventiladores, etc.

1: Disipadores de Calor (Heat-sinks)

La pérdida de calor ocurre en la superficie de los componentes y aumenta con el aumento del área de superficie. Una forma de reducir la temperatura de operación es aumentando el área de superficie. Esto se logra adjuntando un disipador de calor metálico al dispositivo. El disipador de calor usualmente es un buen conductor de calor como cobre, aluminio, etc. Los disipadores son más efectivos si toda la unidad está bien ventilada. Usualmente, con disipadores y componentes en contacto, hay un pequeño espacio de aire entre los dos sobre la superficie. El aire es un mal conductor de calor y esto limita la pérdida de calor de un dispositivo. Para superar este efecto, se usan compuestos de transferencia de calor.

2: Distribuidores de Calor (Heat spreaders)

Los distribuidores de calor también se usan como dispositivos de enfriamiento. Son placas o láminas metálicas conductoras térmicamente usadas para distribuir calor sobre un área más amplia. Se usa como interfaz térmica intermedia entre la fuente de calor y el intercambiador de calor secundario (disipador, etc.) El distribuidor de calor puede aplicarse como placa de respaldo a PCBs con componentes generadores de calor. Las vías térmicas se usan como canales térmicos entre el distribuidor de calor y los paquetes de componentes para mejorar el flujo de calor.

3: Heat pipes (Tubos de Calor)

Los heat pipes son tubos huecos sellados que contienen un líquido o refrigerante. Un extremo se une a la fuente de calor y el otro a un intercambiador de calor secundario (como disipador). El calor generado hierve el líquido en un extremo que viaja al extremo más frío donde los vapores se condensan y regresan al extremo calentado. Usualmente están hechos de metal conductor y son adecuados para diseños de placas con espacio limitado.

4: Materiales de Interfaz Térmica

Estos son materiales conductores térmicamente, pre-fabricados, disponibles en una variedad de formas (pads, adhesivos, geles, etc.) Están diseñados para llenar espacios de aire entre superficies de contacto. Como resultado, se usa el área de superficie máxima para transferencia de calor y se reduce la temperatura de operación. Los compuestos de transferencia de calor pueden ser de muchos tipos. Electrolubes produce pastas conductoras térmicamente que consisten en rellenos minerales en un fluido portador (que puede ser base no-silicona o silicona). Las pastas base silicona tienen temperaturas de operación más altas que las pastas no-silicona. Es importante que al usar material conductor térmicamente, la interfaz entre el dispositivo y el disipador esté completamente llena.

5: Aire Forzado

El aire forzado es otro método común usado para enfriamiento. Esto puede hacerse usando un ventilador o soplador para aumentar el flujo de aire sobre un componente generador de calor. Esto aumenta el flujo de aire caliente lejos del disipador y puede mejorar la disipación de calor. Ventiladores de varios tamaños pueden usarse y su colocación puede optimizarse para mejorar el camino de flujo.

6: Bombas de Calor de Estado Sólido

También conocidas como TECs (enfriadores termoeléctricos), son dispositivos semiconductores delgados y compactos que se colocan entre la fuente de calor y el disipador para mejorar la disipación de calor. Se aplica un voltaje al TEC que crea una diferencia de temperatura entre los dos lados del dispositivo y permite la transferencia de calor por conducción. Aunque no son muy eficientes, mueven grandes cantidades de calor y tienen una vida útil más larga. Además, cuando la corriente se invierte, el flujo de transferencia de calor se invierte, lo que convierte el dispositivo en un calentador y puede resultar ideal para aplicaciones en control de temperatura.