Metódy chladenia integrovaných obvodov

Chladenie integrovaného obvodu (IO) predstavuje kľúčovú súčasť dizajnu elektronických zariadení, najmä tých, ktoré fungujú s vysokými výkonmi a za náročných podmienok. Integrované obvody sú základnými stavebnými blokmi moderných elektronických zariadení, avšak ich výkon je často obmedzený teplom, ktoré generujú počas prevádzky. Preto je efektívne chladenie nevyhnutné na zabezpečenie optimálnej funkčnosti, predĺženie životnosti a zabránenie poškodeniu zariadenia.

Úvod do problematiky generovania tepla

S rýchlym vývojom vysokofrekvenčných a vysokorýchlostných elektronických zariadení a technológie integrovaných obvodov sa celková hustota výkonu elektronických komponentov výrazne zvýšila, zatiaľ čo fyzická veľkosť sa zmenšila a hustota tepelného toku sa tiež zvýšila. Vysoká teplota prostredia nevyhnutne ovplyvňuje výkon elektronických komponentov, čo si vyžaduje ich účinnejšiu tepelnú reguláciu. V tejto fáze sa zameriavame na to, ako vyriešiť problém rozptylu tepla elektronických komponentov.

Problém efektívneho odvodu tepla z elektronických súčiastok je ovplyvnený princípmi prenosu tepla, ako aj mechanikou tekutín. Odvod tepla elektrických komponentov je riadením prevádzkovej teploty elektronických zariadení, čo zase zaručuje ich pracovnú teplotu a bezpečnosť a zahŕňa rôzne aspekty, ako je odvod tepla a materiály.

Pri každom reálnom prenose a transformácii energie dochádza k stratám, pričom časť energie sa mení na energiu tepelnú. Výnimkou nie sú ani elektronické súčiastky. Vznikom tepla stúpa teplota, so zmenou teploty sa menia parametre súčiastky a pri prekročení určitej medze dôjde k nezvratným zmenám.

Zdroje tepla a ovplyvňujúce faktory

• Aktívne zariadenia: Aktívne zariadenia, ako sú tranzistory, diódy a odpory, sú hlavnými zdrojmi tepla v integrovaných obvodoch.
• Parazitné odpory: Okrem aktívnych zariadení existujú parazitné odpory v zapojení a prepojení IO.

Faktory, ktoré ovplyvňujú rozptyl tepla integrovaného obvodu, sú:

• Typ obalu: Typ obalu integrovaného obvodu určuje povrchovú plochu dostupnú pre rozptyl tepla, čo ovplyvňuje tepelný výkon integrovaného obvodu.
• Prevádzkové podmienky: Prevádzkové podmienky, ako je okolitá teplota, prúdenie vzduchu a napájacie napätie, tiež ovplyvňujú rozptyl tepla integrovaného obvodu.
• Návrh rozloženia: Návrh rozloženia IC môže tiež ovplyvniť rozptyl tepla.

Základné princípy prenosu tepla pri chladení

Metódy chladenia sú založené na princípoch prenosu tepla, ktoré zahŕňajú:

• Tepelné vedenie: Táto metóda zahŕňa prenos tepla z IC do chladiča alebo iného chladiaceho mechanizmu prostredníctvom priameho fyzického kontaktu.
• Tepelné žiarenie: Táto metóda zahŕňa prenos tepla z IC do okolia prostredníctvom infračerveného žiarenia.
• Tepelná konvekcia: Táto metóda zahŕňa prenos tepla z IC do okolia prostredníctvom prúdenia vzduchu alebo iných tekutín.

Z katalógov možno získať údaje o maximálnej prípustnej teplote alebo o dovolenom stratovom výkone. Táto časť sa bude zaoberať významom týchto medzných parametrov a popíše postupy, ktoré vedú k ich dodržaniu. Správna činnosť polovodičových výkonových prvkov je zaručená len vtedy, keď nie je prekročená maximálna teplota prechodu.

Kategorizácia metód chladenia

Hlavné spôsoby odvádzania tepla sú prirodzené, nútené, kvapalné, chladiace, evakuačné, tepelné trubice a iné metódy.

Pasívne chladenie

Pasívne chladenie sa spolieha na prirodzené procesy, ako je konvekcia a vedenie tepla. Tento spôsob je často menej nákladný a jednoduchší na implementáciu, avšak môže byť nedostatočný pre aplikácie s vysokým výkonom. Metódy prirodzeného rozptylu tepla a chladenia sa používajú hlavne v elektronických súčiastkach s požiadavkami na riadenie nízkej teploty, zariadeniach s relatívne nízkou hustotou tepelného toku a zariadeniach a komponentoch s nízkou spotrebou energie. Môže byť tiež použitý v hermeticky uzavretých a husto zostavených zariadeniach, kde nie je potrebná žiadna iná technológia chladenia.

V niektorých prípadoch, keď je kapacita odvádzania tepla relatívne nízka, sa vlastnosti samotných elektronických zariadení používajú na zvýšenie ich tepelného alebo radiačného vplyvu na susedný chladič a prirodzená konvekcia je optimalizovaná optimalizáciou štruktúry, čím sa zvyšuje kapacita odvádzania tepla systému.

Pasívne chladenie je vhodné pre jednoduché a nízkopriechodné aplikácie. Ak motor beží príliš dlho, môže sa prehriat a prestať fungovať. Preto musí mať systém, ktorý ho ochladzuje.

Aktívne chladenie

Aktívne chladenie zahŕňa zariadenia, ako sú ventilátory a chladničky, ktoré aktívne odstraňujú teplo. Hoci je táto metóda efektívnejšia, zvyšuje náklady a spotrebu energie v systéme. Nútený odvod tepla alebo metódy chladenia sú spôsob, ako urýchliť prúdenie vzduchu okolo elektronických komponentov pomocou ventilátorov a iných prostriedkov na odvádzanie tepla. Táto metóda je jednoduchá a pohodlná a má výrazný aplikačný efekt. V elektronických súčiastkach, ak je priestor dostatočne veľký na to, aby umožňoval prúdenie vzduchu alebo na inštaláciu niektorých chladiacich zariadení, možno použiť túto metódu.

V praxi sú hlavné spôsoby zlepšenia prenosu tepla konvekciou tieto: primerane zväčšiť celkovú plochu odvodu tepla a vytvoriť relatívne veľký koeficient prenosu tepla konvekciou na povrchu chladiča. Široko používaný je spôsob zväčšenia plochy radiátora, kde sa povrch radiátora rozširuje hlavne cez rebrá, čím sa posilňuje efekt prenosu tepla. Režim rebrovaného odvodu tepla možno rozdeliť do rôznych foriem častí výmenníka tepla aplikovaných na povrchu niektorých elektronických zariadení spotrebúvajúcich teplo, ako aj vo vzduchu. Použitie tohto režimu znižuje tepelný odpor chladiča a tiež zvyšuje jeho efekt odvádzania tepla.

Aktívne chladenie je ideálne pre zariadenia s vysokým výkonom, ktoré vyžadujú rýchle odstraňovanie tepla. Vzduchom chladený radiátor môže do určitej miery efektívne prostredníctvom kontaktu svojich vykurovacích komponentov absorbovať teplo počas používania a do určitej miery účinne prenášať svoje teplo na vzdialené miesto svojimi rôznymi spôsobmi, ako je vzduch v podvozku. Potom šasi prenáša horúci vzduch na vonkajšiu stranu šasi, aby sa dokončil odvod tepla počítača.

Kvapalinové chladenie

Kvapalinové chladenie je jednou z najúčinnejších metód pre vysokovýkonné aplikácie. Využíva cirkuláciu chladiva na prenášanie tepla preč od IO, čo umožňuje udržiavať nízke teploty aj pri vysokých záťažiach. Aplikácia kvapalinového chladenia na elektronické súčiastky je metóda odvodu tepla založená na tvorbe čipov a čipových komponentov.

Kvapalinové chladenie možno rozdeliť na dva hlavné spôsoby: priame chladenie a nepriame chladenie. Nepriame chladenie kvapalinou je aplikácia kvapalného chladiva v priamom kontakte s elektronickými komponentmi prostredníctvom systému medziľahlých médií s použitím kvapalných modulov, tepelných modulov, modulov rozprašovacej kvapaliny a kvapalných substrátov na prenos tepla medzi emitovanými komponentmi.

Chladenie kvapalinou je nevyhnutné pre servery a výkonné procesory, kde sú tepelné podmienky kritické.

Pokročilé a budúce technológie chladenia

S narastajúcimi požiadavkami na výkon a efektivitu je dôležité zohľadniť rôzne metódy a technológie chladenia, ich účinnosť a ekonomiku. Moderné technológie, ako sú pokročilé chladenie kvapalinou a pasívne chladiace riešenia, sú kľúčové pre optimalizáciu výkonu a spoľahlivosti. So vzrastajúcim počtom tranzistorov stúpa i spotreba elektrickej energie, ktorá je premieňaná na teplo. Toto teplo musí byť účinne odvádzané z čipu, inak by došlo k jeho poškodeniu.

Pre odvod veľkého množstva tepla by musel byť zapotreby veľmi veľký pasívny chladič, čo však vzhľadom na miniaturizáciu zariadení, v ktorých sa tieto vysokovýkonné súčiastky implementujú, nie je možné.

Mikrofluidné chladenie

Najnovšie inovácie v zvislom stohovaní 3D integrovaných obvodov vyvolali vážne tepelné problémy v 3D integrovaných obvodoch. Tradičné metódy chladenia vzduchom alebo kvapalinou nie sú dostatočné. Mikrofluidné chladenie integruje miniaturizované chladiace kanály do kremíkových interpozérov alebo podložiek balíčkov, čím umožňuje umiestniť chladiacu akciu v tesnej blízkosti funkčných tranzistorov. Tým sa zlepší tepelný odpor približne o 40 % v porovnaní s tradičnými riešeniami chladičov.

Chladenie pomocou impingement prúdenia

Ešte extrémnejšia je metóda impingementového prúdenia (prúdenia dopadajúceho prúdu). Táto technika je založená na princípe prenosu tepla pomocou rýchlo sa pohybujúcich prúdov kvapaliny smerovaných priamo na jednotlivé horúce miesta (tzv. hotspots) v čipe, najmä v hustých logických alebo vstupno-výstupných die. Táto technika dokáže odvádzať teplo rýchlosťou presahujúcou 300 wattov na štvorcový centimeter.

Dvojfázové kvapalinové chladenie

Dvojfázové kvapalinové chladenie umožňuje odvádzať tepelné toky vyššie ako 500 W/cm². Chladiaca kvapalina Novec 649 alebo FC-72 sa pri kontakte s horúcimi povrchmi mení na paru. Táto vysoká schopnosť chladiacej kvapaliny absorbovať teplo presahuje absorpčnú schopnosť jednofázových chladiacich metód. Táto chladiaca metóda sa ukázala ako najvhodnejšia pre tepelné toky vyššie ako 500 W/cm², ktoré nie je možné dosiahnuť bežným vedením tepla alebo konvekciou.

V praxi systémy chladenia v parnej fáze udržiavajú pri veľkých čipoch s výkonom 2 kW teplotu chladených povrchov na úrovni 85 °C, vrátane procesorov umelej inteligencie v superpočítačoch dosahujúcich exaskalový výkon. Po absorpcii tepla sa para chladiacej kvapaliny presunie do vonkajšieho chladiaceho panela alebo do malých kanálikov kondenzátora. Tým sa uzatvorí tepelný obvod (cyklus). To robí chladiace systémy, najmä pre chladenie čipov zozadu a veľké servery, mimoriadne výhodnými, keďže opätovné dopĺňanie chladiacej kvapaliny nie je potrebné.

Ak sa tieto metódy chladenia použijú pri najzložitejších 2,5D a 3D čipových balíčkoch, zmierňujú vplyv teplotou indukovaných mechanických zaťažení a zabraňujú oddeleniu vrstiev v najnovších technikách zabalenia, ako sú fan-out a hybridné zváranie.

Zatiaľ čo mikrofluidné chladenie využíva malé kanáliky v kremíkových podkladoch na účinnejšie chladenie, čelné prúdenie využíva rýchlo sa pohybujúce prúdy kvapaliny, ktoré zasahujú konkrétne horúce miesta na čipoch. Dvojfázové chladenie dokáže dosiahnuť viac ako 500 wattov na štvorcový centimeter, čo je výrazne viac než akákoľvek z bežných metód, jednoducho preto, lebo chladiace prostredie na horúcich komponentoch odparuje. Mikrofluidné chladenie aj dvojfázové chladenie sú veľmi vhodné pre rozsiahle servery a priame chladenie čipov, najmä pre AI procesory a superpočítače.

Chladenie tekutým kovom

Táto technológia chladenia dosahuje vyššiu účinnosť odvádzania tepla ako klasické vodné chladenie. Z princípu je chladenie tekutým kovom podobné chladeniu vodou. Namiesto vody ako chladiaceho média sa však používa tekutý kov. Presné zloženie je tajné, ale hovorí sa o zlúčenine gália, india a cínovej drte. Táto zlúčenina nepredstavuje riziko pre životné prostredie, je elektricky vodivá. Odvádzanie tepla je pomocou tejto tekutiny 65-krát lepšie ako u vody a 1600-krát lepšie ako u vzduchu. Teplota varu tekutého kovu je 2000 stupňov Celzia. Kvapalina je v kvapalnom skupenstve pri cca 10 stupňoch. Nevýhodou však je, že gálium a indium nie sú lacné kovy. Majú vysokú viskozitu, čo má za následok zahrievanie sa pri pohybe.

Elektrostatické chladenie (Nano-trubičky)

Ide o technológiu budúcnosti založenú na nanotechnológiách a elektrických výbojoch. Princíp tejto technológie spočíva v tom, že sa používajú nanotrubičky na báze uhlíka. Tento materiál sa vyznačuje špecifickými fyzikálnymi vlastnosťami a ich hrúbka sa pohybuje rádovo v nanometroch. Disponujú extrémnou pružnosťou a pevnosťou. Tieto nanotrubičky pôsobia ako záporne nabité elektródy. V systéme chladenia sú umiestnené aj kladné elektródy a pokiaľ je na záporné elektródy pripojené napätie, začnú sa elektródy pohybovať smerom ku kladným elektródam. Tieto elektródy spôsobujú ionizovanie vzduchu podobne ako pri búrke. Týmto procesom vznikne prúd častíc podobný korónovému vetru, ktorý však má nevýhodu v tom, že vzniká pri veľmi vysokom napätí, okolo 10 000 voltov. Vďaka malým nanotrubičkám vzdialeným od seba a od elektród len desať mikrónov, stačí pre požadovaný efekt tisícina hodnoty napätia korónového vetra.

Chladenie pomocou piezoelektrických technológií

Princíp tohto chladenia je rovnaký ako u klasických ventilátorov, s tým rozdielom, že pohyb zabezpečujú piezoelektrické technológie. Na pružnej doske sú nanesené piezoelektrické časti, na ktoré je privedené striedavé napätie a tieto časti reagujú na napätie tým, že sa rozpínajú a zmršťujú. Vďaka tomu sa začne pružná doska ohýbať hore a dole podľa aktuálneho napätia.

Veľkou výhodou tejto technológie je veľmi malá spotreba, okolo 2 mW, ktorá závisí predovšetkým od veľkosti ventilátora. Uplatnenie nájdu predovšetkým v mobilnej technike. Chladiaci výkon tejto technológie nie je tak veľký ako u klasických ventilátorov, ale keďže sa jedná o veľmi malé a tenké chladiče, nájde svoje uplatnenie v mobilných telefónoch, tabletoch a iných malých elektrických zariadeniach, ktoré produkujú pri svojej prevádzke odpadové teplo. Výhodou je, že môžu byť použité v prašnom prostredí, kde by klasický ventilátor nemohol byť použitý kvôli riziku poškodenia ložísk v dôsledku výskytu prachových častíc. Táto technológia nájde uplatnenie aj v priemysle, kde sú kladené veľké nároky na funkčnú výdrž chladiacich systémov.

Návrh a výpočet chladenia elektronických súčiastok

Rodina hardvérových riešení pre tepelnú charakterizáciu poskytuje dodávateľom komponentov a systémov schopnosť presne a efektívne testovať, merať a tepelne charakterizovať polovodičové balíky integrovaných obvodov, jedno a zoradené LED diódy, stohované a viacvrstvové balíky, moduly výkonovej elektroniky, vlastnosti materiálu tepelného rozhrania (TIM) a kompletné elektronické systémy. Naše hardvérové riešenia priamo merajú skutočné krivky vykurovania alebo chladenia balených polovodičových zariadení nepretržite a v reálnom čase, namiesto toho, aby to umelo komponovali z výsledkov niekoľkých jednotlivých testov. Meranie skutočnej tepelnej prechodnej odozvy týmto spôsobom je oveľa efektívnejšie a presnejšie, čo vedie k presnejším tepelným metrikám ako metódy ustáleného stavu.

Táto päťdielna séria článkov vznikla zo snahy o vytvorenie praktického vodítka pre návrh chladenia elektronických súčiastok. Technika vedenia tepla je samostatný odbor s rozsiahlym a komplikovaným matematickým aparátom. Elektronické súčiastky však väčšinou pracujú v obmedzenom rozsahu teplôt, preto sú prípustné značné zjednodušenia pre riešenie ich chladenia. Vžil sa súbor jednoduchých postupov, ktoré používajú linearizované prvky (tepelné odpory). Tieto hodnoty výrobcovia chladičov uvádzajú v katalógoch svojich výrobkov. V základnej časti sú používané tieto vzorce a hodnoty.

Tepelná analógia a odpor

Pre bežné výpočty sa predpokladá, že sme schopní charakterizovať každý z týchto úsekov zjednodušeným spôsobom. Používame analógiu s elektrickými obvodmi tým, že uvažujeme ako náhradné lineárne prvky tepelných odporov jednotlivých úsekov. Zdrojom tepelného toku je stratový výkon, ktorý na tepelnom odpore vyvolá rozdiel teplôt. Pripočítaním všetkých rozdielov teplôt k teplote okolia dostaneme predpokladanú teplotu prechodu pri zaťažení daným výkonom.

Z tohto obvodu možno pre ustálený stav dosadiť do vyššie uvedeného vzorca známej hodnoty ϑj, ϑa a P a dostaneme hodnotu výsledného tepelného odporu. Ak môžeme použiť katalógové hodnoty polovodičového prvku a chladiča, je návrh ukončený. Pretože však údaje nebývajú vždy dostupné a pri technickom návrhu je vhodné pokryť ďalšie súvislosti, budú jednotlivé časti okruhu prebrané podrobnejšie.

Hodnota vnútorného tepelného odporu (Rϑjc) závisí na veľkosti plochy styku, kvalite opracovania styčných plôch, použitia izolačných podložiek a teplovodivých pást. Pri priamej montáži na rovnú plochu chladiča možno počítať s hodnotou niekoľkých desatatín K / W, izolačné podložky ju trochu zvyšujú. Hodnoty tepelného odporu podložiek udávajú niektorí výrobcovia v katalógu. Podložky sa vyrábajú zo sľudy alebo z umelých hmôt. Pre obzvlášť náročné použitia sa vyrábajú špeciálne podložky z keramiky Al2O3, ktoré sa vyznačujú vyššou tepelnou vodivosťou. Niektoré súčiastky majú plochu pre montáž na chladič izolovanú od systému a montujú sa na chladič priamo. Pre zlepšenie tepelného styku sa na styčné plochy nanáša silikónová vazelína, alebo špeciálne pasty, ktoré majú prísady pre zlepšenie tepelnej vodivosti.

Medzné parametre a stratový výkon

Polovodičové prvky musia pracovať pri vyššej teplote okolia a s reálnym chladením, ktoré môže byť podstatne nižšie ako ideálne. Pre tieto podmienky je nutné určiť prípustný stratový výkon, pri ktorom nebude prekročená teplota prechodu ani v najhoršom prípade. Keď sa tento výkon ďalej zníži, je súčiastka menej namáhaná a zvyšuje sa jej spoľahlivosť a tým aj spoľahlivosť celého zariadenia.

V katalógu môže byť u danej súčiastky uvedený priamo vnútorný tepelný odpor, alebo býva uvádzaný jeho maximálny stratový výkon pri ideálnom chladení, pri určitej teplote puzdra (zvyčajne 25 °C) a tiež maximálna teplota prechodu ϑj max. Pri zvýšenej teplote okolia sa musí stratový výkon znížiť. Pre tranzistor je udaný dovolený stratový výkon 20 W pri teplote puzdra 25 °C. Maximálna teplota prechodu je 125 °C. Keď sa pri zaťažení zvýši teplota puzdra na 50 °C, môže byť stratový výkon už len 15 W. Pri tejto teplote puzdra totiž teplota prechodu dosiahne práve 125 °C. Táto priama redukcia stratového výkonu platí pre prevedenie bez chladiča.

Tepelná kapacita a ustálený stav

Keď sa v hmotnom telese stráca výkon, zvyšuje sa tepelná energia v jeho objeme a stúpa jeho teplota. Keby bolo teleso dokonale izolované (kalorimeter), stúpala by jeho teplota lineárne. Rýchlosť zvyšovania teploty závisí na dodávanom výkone, hmotnosti telesa a špecifickom teple materiálu. Z neizolovaného telesa prechádza teplo do okolia, je odvádzané buď do ďalšieho pevného telesa (chladič), alebo do okolitého priestoru (vzduch). Prenos tepelnej energie sa zvyšuje s rozdielom teploty medzi telesom a okolím. Pri určitej teplote telesa sa odvádzaný výkon rovná výkonu privádzanému, teplota ďalej nestúpa a je dosiahnutý ustálený stav.

Pri dodaní energie A do telesa s hmotnosťou m, z látky so špecifickým teplom c, vzrastie jeho teplota o Δϑ. Súčin c.m sa nazýva tepelná kapacita telesa. Staršia jednotkou množstva tepla je kalória, definovaná ako množstvo tepla pre zvýšenie teploty 1 g vody o 1 °C pri 15 °C (1 cal15). Okrem toho bola definovaná medzinárodnou jednotkou kalórie: 1 calIT = 1/860 Wh (medzinárodná Wh - Watthodina). V niektorých prameňoch sú staršie jednotky kalórie a kilokalórie stále používané.

Výpočet vychádza zo stratového výkonu, ktorý vzniká v systéme polovodičovej súčiastky (PN prechod diódy, stabilizačné diódy, bipolárneho alebo unipolárneho tranzistora, v systéme integrovaného obvodu). Vzniknuté teplo sa musí zo systému odviesť do puzdra, z ktorého sa cez vhodnú styčnú plochu prevádza do chladiča. Chladič musí byť navrhnutý tak, aby všetok výkon vyžiaril do okolitého priestoru.

Konštrukčné aspekty a vplyvy na chladenie

Okrem výpočtov je nutné mať pri návrhu chladiča na zreteli ešte ďalšie vplyvy. Pri konštrukcii zariadenia sú to aj obvykle údaje maximálnych pracovných teplôt. Pre normálne podmienky v miernom pásme sa počíta s teplotou okolia maximálne 35 °C. Táto teplota bude platiť pre chladiče, umiestnené na vonkajších stenách prístroja (väčšinou na zadnej stene). Malé chladiče, umiestnené priamo na doskách plošných spojov, budú pracovať vo vnútri skrine, teda v prostredí, ktorého teplota môže byť zreteľne vyššia. Tu môžeme počítať s teplotou 40 °C, záleží na prevedení skrine a na prípadnom vetraní.

Podľa bezpečnostných predpisov nemá teplota častí, prístupných dotyku, presiahnuť 60 °C. Z toho vyplýva, že tepelný spád na vonkajšom chladiči by nemal byť vyšší ako 25 °C. Tiež súčiastky vo vnútri prístroja, ktorých teplota presiahne bezpečnú hranicu, sú označované výstražnými štítkami (napr. hlavy ihličkových tlačiarní).

Návrh by mal byť vedený tak, aby tepelný odpor chladiča nebol značne menší ako vnútorný tepelný odpor, pretože potom vychádza chladič neúnosne veľký. Potom je vhodnejšie voliť prvok (tranzistor) s menším vnútorným tepelným odporom alebo zapojiť niekoľko tranzistorov paralelne. Chladič sa preto navrhuje podľa celkového výkonu. Zo zapojenia je zrejmé, že pri rovnakých tranzistoroch s rovnakým stratovým výkonom budú rovnaké aj teploty prechodov. Vnútorný tepelný odpor sa javí ako paralelný a pri rovnako veľkom chladiči je možné dosiahnuť výhodnejších tepelných pomerov. Tranzistory by však mali byť umiestnené na chladiči symetricky.

Realistické podmienky a časová konštanta

V uvedenom postupe výpočtu sa s tepelným odporom zaobchádza ako s lineárnou veličinou. V skutočnosti však hodnota tepelného odporu závisí od podmienok, v ktorých chladič pracuje. Je ovplyvnená polohou chladiča, možnosťou prúdenia vzduchu, alebo tiež rozdielom teploty medzi chladičom a okolím. Katalógové hodnoty sú uvádzané pre použitie podľa bežnej konštrukčnej praxe. Výrobca tieto hodnoty uvádza s istou bezpečnosťou a navyše odporúča zachovať určitý odstup od medzných hodnôt. Pri prehnanej bezpečnosti vyjde chladič zbytočne veľký. Skutočné pracovné podmienky je možné overiť meraním. Je však nutné, aby umiestnenie snímača teploty neovplyvnilo meranie. Uplatní sa len u veľkých puzdier a pri malej hmote chladiča. Možno s ňou tiež uvažovať pri použití súčiastok bez chladiča.

Chladič je vyrobený z materiálu, ktorý má schopnosť akumulovať teplo. Pri návrhu zariadení s trvalým zaťažením a pri meraní tepelného odporu je potrebné brať do úvahy, že teplota stúpa podľa exponenciálnej krivky. Túto skutočnosť možno využiť pri zariadení, ktoré nie je zaťažované nepretržite plným výkonom. Pri plnom zaťažení teplota postupne stúpa, než ale teplota chladiča vystúpi na ustálenú hodnotu, zaťaženie klesne. Obvod môžeme riešiť známymi metódami pre riešenie elektrických obvodov. Keď zanedbáme tepelnú kapacitu púzdra, dostaneme prostý integračný článok. Pretože v našom obvode funguje zdroj výkonu P ako zdroj prúdu v elektrickom obvode, bude časovú konštantu určovať len tepelná kapacita chladiča a jeho tepelný odpor. Tieto vedomosti môžeme využiť pri vyhodnotení otepľovacej krivky a pri návrhu chladiča pre prerušované zaťaženie.

Príklad: Chladič z hliníkovej zliatiny váži 420 g. Pri výkone 18 W bolo dosiahnuté ustáleného oteplenia 30 °C. Merné teplo hliníka je 895 J / kg. Tepelná kapacita: Cϑ = c . m = 895 . [hodnota chýba]. Časová konštanta: τϑ = Rϑ . Cϑ = 376 . [hodnota chýba]. Zo známych vzťahov možno odvodiť, že podľa požadovanej presnosti bude ustálený tepelný stav chladiča dosiahnutý za 30 až 50 minút. Tepelná kapacita styku puzdra a chladiča je tu zanedbaná. Zjednodušený je tiež model vnútornej tepelnej štruktúry puzdra.

tags: #chladenie #integrovaneho #obvodu