1. No category

2/3/2015
Säteily
Kansi
Kotelo
Liitosjohto
Konvektio
Lastu
Pinni
Johtuminen
Lastun ja kehyksen
liitos
•
•
•
•
•
Kaikki lämmönsiirtomuodot
käytössä. Eri mekanismien
voimakkuus riippuu kuitenkin
käyttölämpötilasta ja
kotelosta.
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 kuparia.
Lämmönsiirto liitoksesta koteloon on ensimmäinen vaihe komponentin
synnyttämän lämmön poistamiseksi.
Valmistaja ilmoittaa liitoksen ja kotelon välisen lämpöresistanssin
Määritellään suure lämpöresistanssi Rth, 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 Rth ja sähkövirta I lämpövirtaa
q, jolloin lämpövastukselle saadaan yhtälö
Johtuminen
DT
Rth =
q
Konvektio
Säteily
th =
th =
th =
1
(
Δ
−
)
1
2/3/2015
•
•
•
•
Jatkuvuustilassa lämmönsiirto voidaan kuvata pelkkien lämpöresistanssien avulla
Dynaamisessa tarkastelussa on lämmön varastointiominaisuus
otettava huomioon (transienttitila)
Lämpökapasitanssi Cth = cprV = mcp kuvaa kappaleeseen
varastoituvaa lämpöenergiaa
Lämpöresistanssi ja –kapasitanssi muodostavat RC-piirin
Cth
Rth
q
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: q1 = 15 W, q2 =50 W, Ta = 50 °C, Tmax=115 °C, Cth=385 J/°C,
Rth (liitos-ympäristö) = 1.8 °C/W, t = 10 min = 600 s.
2
2/3/2015
•
•
•
•
•
•
•
•
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 20 – 60
°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
2/3/2015
T
Max. lämpötila
Jäähdytyslevyn
lämpötila
Komponentti
Piirilevy
Metallirunko
Jäähdytyslevy
•
•
•
•
Määritetään komponentissa/laitteessa syntyvä häviöteho
Lisätään 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
2/3/2015
kt
io
nv
e
tio
ttu
te
ko
pa
ok
ar
bi
di
),
ko
nv
va
p
ek
aa
ko
nv
te
ttu
pa
ko
ty
s,
hd
y
ese
neste
inen
t tam en
o
p
U
u min
kieh
ee
n
ää
ko
on
ak
ap
a
,v
yt
ys
hd
ää
aj
es
ne
ste
en+
ty
s,
in
en
10
8
6
4
tta
m
20
Ilm
100
80
60
40
Ilm
aj
2
1
1
0.01 0.02 0.04 0.1 0.2 0.4
2 3 4 6 8 10 20
Lämpövuo kappaleen pinnassa [W/cm 2]
V
U
po
Pinnan lämpötila
Saadaan lisäämällä
lämpötilaeroon
ympäristön
Lämpötila Ta
Lämpötilaero [°C]
200
ek
tio
ve
k
tio
+s
ät
eil
y
1000
800
600
400
äh
dy
•
ijä
•
(fl
uo
r
•
Laitteen toimintalämpötilan vaihteluista johtuvat lämpöjännitykset
heikentävät laitteen luotettavuutta (lämpöiskut, mekaaniset
vauriot)
Suurin osa laitteista toimii yhtäjaksoisesti pitkiä aikoja, joten niiden
jäähdytysjärjestelmät mitoitetaan jatkuvuustilan mukaisesti
Laitteiden, 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
es
•
Kappaleen häviölämpö jaettuna lämmönsiirtopinnalla
5
2/3/2015
Liitos
Kansi
Liitos
Kotelo
Liitosjohto
Lastu
Rrajoitettu
Pinni
Rpiilastu
=
Kehys
Lastun ja kehyksen
liitos
2
1
Reutektinen-liitos
Ympäristö
Rkehys
Kotelo
Rkotelo-ympäristö
Rvälilevy
Liitos
q
R pinnit
Rliitos-kotelo
Lämpöresistanssin käytös piirikorttiin liitetyn DIP-komponentin osalta
Rliitos-ympäristö = Rliitos-kotelo + Rkotelo-ympäristö
Lämpöresistanssi Rliitos-ympäristö [°C/W]
200
180
160
140
120
100
80
8 pinniä
60
14 pinniä
16 pinniä
24 pinniä
40
20
0
50
150
100
200
250
Jäähdytysilman nopeus [m/min]
300
6
2/3/2015
• Piirikortit ovat lämmönjohtavuudeltaan varsin huonoja
• Jäähdytys
toteutetaan
tavallisesti
upotusjäähdytyksellä (suora jäähdytys)
pakotetulla
konvektiolla
tai
• Tiiviisti suljetuissa koteloissa lämpö siirtyy johtumalla piirikorttia pitkin
koteloon kiinnitettyyn jäähdytyslevyyn (epäsuora jäähdytys)
w
qkortti = qepoksi + qkupari
[
æ DT ö
æ DT ö
= ç lA
+ ç lA
÷
÷
L ø kupari
L
è
ø epoksi è
= (lA)epoksi + (lA)kupari
epoksi
+ (lt )kupari
] wDLT
L
ok
si
(lt )epoksi + (lt )kupari
te p
leff =
] DLT = [(lt )
t epoksi + t kupari
epoksi
tkupari
kupari
q piirikortti = leff (t epoksi + t kupari )
DT
wDT
= leff Apiirikortti
L
L
q
Komponentit
Jäähdytyslevyä käytettäessä lämpö johtuu piirikortin läpi sen paksuussuunassa. Suuri Rth, jota voidaan pienentää kuparitappien avulla.
Piirilevy
Piirilevy
Piirilevy
Metallinen sydänlaatta
Komponentit
Sideaine
Kylmä levy
Jäähdytyslevy
Jäähdytyselementti
7
2/3/2015
Yhdessä moduulissa jopa yli 100 kpl logiikkasiruja, joista jokaisen häviöteho 4 W
Lähde: Y.A. Cengel: Heat transfer: A practical approach
8