電子機器の温度管理を最適化する方法

はじめに:

すべてのデバイスは、副産物として熱を発生させて動作します。これらのデバイスが過熱しないようにするには、熱管理が必要です。デバイスの効率は温度に反比例します。その後、高性能コンポーネントが熱を発生し、デバイスの寿命を縮め、効率を低下させる可能性があります。したがって、これらのデバイスから発生する熱を除去して、温度を抑える必要があります。

時間の経過とともにデバイスは小型化されましたが、機能は向上しています。これにより、処理が高速になり、その結果、消費電力が増加して発熱が増加しました。同様に、器具も熱を分散させるために小型化されており、エンジニアにとって課題になる可能性があります。一般に、熱放散は、電力方程式に従って、電力放散に比例する必要があります。エンジニアが消費電力を管理する際に直面する 3 つの主な問題には、PCB の高密度化、IC チップの高密度化、デバイスのサイズと移動性が含まれます。

一部のコンポーネントは少量の熱を生成しますが、他のデバイスは比較的大量の熱を生成します。したがって、寿命と信頼性を延ばすための対策を講じる必要があります。通常、熱を発生する絶縁された電気コンポーネントは、デバイス内で発生する熱が周囲に失われる熱と等しくなり、デバイスが平衡に達するまで熱を発生させます。熱は通常、材料内の電子の流れに対する抵抗によって発生します。抵抗が低いほど、伝導率が高くなり、発熱が低くなります。これは、ジュールの法則 H=I2Rt によって証明されています。

デバイスの熱管理:

熱管理は、電子設計の主要部分です。コンポーネントとシステムのホット スポットの効率と精度を確保するには、余分な熱をそれらから逃がす必要があります。エンジニアは、インテリジェントな熱設計を使用して、熱関連のエラーを減らすことができます。熱管理のために材料を要求する 3 つの厳密な原動力があります。

まず、速度を向上させるために、設計者はマイクロプロセッサのコアをより小さなサイズに圧縮しました。これにより、単位面積あたりの発熱量が高くなります。その結果、マイクロプロセッサとヒート スプレッダ内の伝導による温度降下は、最大許容温度降下と同程度になります。第 2 に、トランジスタ間の相互接続の温度上昇が増加します。これは、金属層の増加と相互接続間の電流密度の増加によるものです。第 3 に、現在および計画中のトランジスタ技術の温度上昇が進んでいます。チャネル寸法の減少は、デバイス内の電力密度と電子フォノン非平衡の増加につながります。これらは、材料および固体物理学の研究に課題をもたらします。

電子機器の冷却:

ニュートンの冷却の法則によれば、熱の損失率は、身体とその周囲との温度差に比例します。体の温度が上昇するにつれて、熱損失も上昇します。熱損失率が生成される熱率と平衡になると、デバイスはその平衡温度に達します。この温度はコンポーネントの寿命を縮める可能性があるため、熱管理のために特定の対策を講じる必要があります。

回路またはデバイスの温度を制御する 1 つの方法は、換気による空気の流れを増やすことです。これにより、動作温度が低下します。また、高度が高くなると大気密度が低下すると、周囲への熱伝達効率が低下し、動作温度が高くなることにも注意してください。ヒートシンク、サーモエレクトリック クーラー、エア システム、ファンなど、デバイスを冷却する方法はいくつかあります。

1:ヒートシンク

熱損失はコンポーネントの表面で発生し、表面積の増加とともに増加します。動作温度を下げる 1 つの方法は、表面積を増やすことです。これは、デバイスに金属製のヒートシンクを取り付けることによって実現されます。ヒートシンクは通常、銅、アルミニウムなどの熱伝導体です。ヒートシンクは、ユニット全体が十分に換気されているほど効果的です。通常、ヒートシンクとコンポーネントが接触すると、表面上の 2 つの間に小さな空隙が生じます。空気は熱伝導率が低いため、デバイスからの熱損失が制限されます。この影響を克服するために、伝熱コンパウンドが使用されます。

2:ヒート スプレッダー

ヒートスプレッダーは冷却装置としても使用されます。それらは、熱をより広い領域に分散させるために使用される熱伝導性の金属板または箔です。これは、熱源と二次熱交換器 (ヒートシンクなど) の間の中間熱インターフェースとして使用されます。ヒート スプレッダーは、発熱部品を備えた PCB にバッキング プレートとして適用できます。サーマル ビアは、ヒート スプレッダとコンポーネント パッケージ間の熱チャネルとして使用され、熱の流れを改善します。

3:ヒート パイプ