תכן תרמי וזיווד_אפקה- מפגש מס 1.pdf

‫תכן תרמי וזיווד לציוד אלקטרוני‬
‫מבוא‬
‫‪1‬‬
‫מרצה‪ :‬בנצי קורן‬
‫תוכן עניינים‬
‫מטרת הקורס‬
‫מבוא מבנה הקורס‪ ,‬תוכן הרצאות‬
‫תאור עבודת גמר‬
‫מבנה הציון הסופי –הערכת סטודנט‬
‫תפקידו של מהנדס זיווד בתעשיית הייטק‪,‬‬
‫מושגים תרמיים‬
‫מקורות חום‬
‫‪Duty Cycle‬‬
‫צפיפות הספק‬
‫פרמטרים תרמיים לרכיבים‬
‫‪2‬‬
‫מטרת הקורס‬
‫הקניית מושגי יסוד בתכנון תרמי של ציוד אלקטרוני‬
‫הקניית ידע בתכנון תרמי –שיטות לקירור‬
‫הכרת המגבלות של הרכיבם האלקטרוניים‬
‫הכרה שימושית במנגנוני קירור ואנליזות בזיווד‬
‫הכרת מפוחים לקירור ודרכי חישוב\בניית עקום מערכת‬
‫הכרת אמצעי מדידה‬
‫הכרת תכן ייצור ובקרה בטכנולוגיית מעגלים מודפסים‬
‫בזיווד מכאני ותרמי‬
‫הכרת סטנדרטים לתכן מכאני ותרמי בזיווד‬
‫הקניית ידע בסיסי בתכן מכאני לזיווד על מרכיביו‬
‫‪3‬‬
‫תקציר הקורס‬
Objectives: The course provides the "knowhow" to perform a thermal mechanical
design of electronic equipment which is common in the military, industrial and
consumer market segments. It covers the common methods, components and
mechanisms of cooling that are used in various types of equipment. The students get
familiar with the common standards that are used to define the objectives of the
thermal design, components thermal limitations, and sensitivity of components to
temperature variations. Cooling using free and force convection, using fans and
different types of accessories used by the designers to cool the equipment.
Mechanical design methods for electrical equipment housing and mechanical board
design, introduce useful electro mechanic parts
Software types are provided. Reading industrial information of components and using
this information to conclude thermal mechanical design is covered.
Prerequisites: Heat transfer [course # 30120 ]
4
‫מבוא מבנה הקורס‬
‫תוכן מפגשים‪:‬‬
‫מפגשים‬
‫‪.1‬‬
‫‪.2‬‬
‫‪.3‬‬
‫‪.4‬‬
‫‪.5‬‬
‫‪.6‬‬
‫‪.7‬‬
‫‪.8‬‬
‫‪.9‬‬
‫‪.01‬‬
‫‪.11‬‬
‫‪.21‬‬
‫‪5‬‬
‫‪.31‬‬
‫נושא הלימוד‬
‫הקדמה‪ ,‬מבנה הקורס‪,‬הכרות‪ ,‬סקירה על תפקידה של מהנדס זיווד‬
‫בתעשיית הייטק‪ ,‬הגדרות מושגים תרמיים‪.‬‬
‫מנגנון ושיטות קירור הולכת חום דרך ‪ PCB‬בציוד אלקטרוני‬
‫התנגדות מגע בין גופים‪ ,‬מציאת פקטורים‪ ,‬שימוש והכרת פדים‬
‫תרמיים כחלופות בהולכה עד צומת רכיבים‬
‫פרקי זיווד ‪ - 1‬הכרת טכנולוגיות מעגלים משולב עקרונות תכן מכאני‬
‫לעריכה בקרת תכן וייצור כולל תרגול כיתה\בית (הגדרת כרטיס)‬
‫פרקי זיווד ‪ 2‬אלקטרו מכאני‪ ,‬קשיחים‪ ,‬חומרים וציפויים מובילים‬
‫שימושיים בתכן זיווד אלקטרוני תכן עמידה הגנות ‪ EMI\RFI‬תכן‬
‫מודולארי‬
‫קירור בעזרת הסעה חופשית‪ ,‬קירור על ידי צלעות‪ ,‬תכנון אופטימאלי‪.‬‬
‫קירור על ידי קרינה‪ .‬עקרונות‪ ,‬מציאת פקטורים ‪ ,‬תרגיל להמחשה‬
‫קירור משולב – הולכה הסעה וקרינה עקרונות ‪ ,‬דוגמאות‪ ,‬השפעת‬
‫גובה‬
‫קירור בעזרת הסעה מאולצת‪ ,‬חישוב התנגדות הידראולית‪ ,‬גרף מאורר‬
‫קירור בעזרת הסעה מאולצת – מציאת נקודת עבודה וחישוב‬
‫פרמטרים‪ ,‬השפעת גובה בקירור מאולץ‬
‫מעבר חום במצב מעבר בתלות לזמן‪ ,‬תרגיל(אופציה לפרקי זיווד ‪3‬‬
‫בנושא פריטים אלקטרו מכאניים‪:‬הכרות עם עולם מחברים אלקטרו‬
‫מכאניים)‬
‫הכרת תוכנות נומריות‪+‬אמצעי מדידה לטמפרטורה – ניסוי תרמי‬
‫(אופציה מול צורך להדרכה שיידרש לצוותי עבודה לטובת עבודת גמר)‬
‫הצגת תמצית עבודה מסכמת לפורום חוג הנדסה מכאני‬
‫‪ point power‬כתוב באנגלית ההצגה בעברית‬
‫דרישות לעבודת גמר מסכמת‬
‫‪6‬‬
‫עבודת גמר‬
‫עבודת גמר צוותי(‪ 2‬סטודנטים)‪:‬‬
‫מסלול מכאני (‪)reference‬‬
‫• תכן מכאני של קופסת אלקטרוניקה למטרת ייצור– ‪SW‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫תכן מכאני לכרטיס ופיזור חום דרכו‬
‫תכן והגדרת ממשקים קופסא כרטיס‪ ,‬קופסא לעולם חיצון‬
‫תכן מכאני מפזר חום בכרטיס‬
‫תכן מכאני מרכיבי קופסא‬
‫• תכן\חישוב תרמי ראשוני הנדסי‬
‫‪ ‬הגדרת צרכי קירור\הגדרת מפוח‬
‫• מסמך מסכם‬
‫• מצגת באנגלית ‪ power point‬והצגה לפורום בעברית‬
‫‪7‬‬
‫הערה‪ :‬תכן סקופים הנם למטרת חישוב עומד(מפל לחץ) בלבד‬
‫עבודת גמר‬
‫מסלול תרמי (‪)reference‬‬
‫• תכן מכאני ראשוני\קונספטואלי למטרת אנליזה‬
‫• אנליזה תרמית נומרית בתוכנת‪Cosmos, Ansys, :‬‬
‫‪ Nastran‬גובה פני ים‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫‪8‬‬
‫הכנסת תכן ראשוני מ‪ CAD-‬לתוכנה‬
‫הגדרת תכונות חומרים ופרמטרים תרמיים‬
‫בניית מודל ו‪meshing -‬‬
‫חישוב מקדמי מעבר חום והגדרת תנאיי שפה‬
‫השפעת גובה לקירור מערכת‬
‫תכן\חישוב תרמי ראשוני הנדסי –הגדרת צרכי קירור‬
‫מסמך מסכם‬
‫מצגת באנגלית ‪ power point‬והצגה לפורום‬
‫הערה‪ :‬תכן סקופים הנם למטרת חישוב עומד(מפל לחץ) ואינם חלק ממודל ‪F.E‬‬
‫עבודת גמר‬
‫קופסת אלקטרוניקה מכילה כרטיס אלקטרוני עם מוקדי חום הדורש‬
‫קירור במנגנוני‪ :‬הולכה‪ ,‬מגע‪ ,‬הסעה חופשי וקרינה לסביבה וכן הסעה‬
‫מאולצת באמצעות מפוח יעודי (פרטים בהמשך לאחר מפגש ‪)~5‬‬
‫‪Connectors per mil-std‬‬‫‪38999 series III‬‬
‫‪Top Cover‬‬
‫‪Fan‬‬
‫‪Inlet Duct‬‬
‫‪9‬‬
‫‪Outlet Duct‬‬
‫‪Fin Array‬‬
‫‪Bottom Cover‬‬
‫‪Fin array‬‬
‫‪Electric Unit‬‬
‫מבוא מבנה הקורס‬
‫חובות הקורס ומפתח לקביעת הציון הסופי‪:‬‬
‫סוג המטלה‬
‫עבודה מסכם‬
‫שקלול תרגיל‬
‫אמצע קורס‬
‫מצגת\הצגת עבודה‬
‫מסכמת‪:‬‬
‫אחוז הציון מסך‬
‫הציון הסופי‬
‫‪70%‬‬
‫‪15%‬‬
‫‪15%‬‬
‫‪10‬‬
‫מהנדס זיווד בתעשיית הייטק‬
‫‪11‬‬
‫מהנדס זיווד בהייטק‬
‫תחומי פעילות מהנדס זיווד בתעשייה צבאית ואו אזרחית‬
‫כחוליה בצוות לתכן בצמוד לצוות תיכון חומרה של ציוד‬
‫אלקטרוניקה בכל שלבי פיתוח והוכחת המוצר בתפקידי‪:‬‬
‫מהנדס זיווד‪ -‬תכן מכאני באפליקציות מגוונות‬
‫מהנדס זיווד‪ -‬אנליזות תרמיות‬
‫מהנדס זיווד‪ -‬אנליזות דינמיות‬
‫מהנדס זיווד‪ -‬אנליזות תרמי\דינמי‬
‫מהנדס זיווד‪ -‬תנאיי סביבה\ניסויים‬
‫מהנדס זיווד התקנות תעופתי\קרקעי\ימי\חלל‬
‫ממשקי ‪– ICD‬פיתוח מוצר להתקנתו בתעופה\ים\יבשה‬
‫בחברות קטנות\‪ startup‬העיסוק משולב‬
‫‪12‬‬
‫מהנדס זיווד בהייטק‬
‫פעילות בתעשייה צבאית‪:‬‬
‫תעופתי ואו אחר‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫‪13‬‬
‫ציוד מוטס‬
‫קרקע‪ :‬ציוד צבאי קרקעי‬
‫תקשורת‬
‫מתע"ד\צילום\אופטיקה‬
‫הקשחת ציוד אזרחי לרמה צבאית‬
‫טילים‬
‫חלל‬
‫תנאיי סביבה למוצרים‬
‫ניהול טכני ופרויקטאלי‬
‫ועוד‪...‬‬
‫מהנדס זיווד בהייטק‬
‫פעילות בתעשייה אזרחית‪:‬‬
‫פלפונים‬
‫תעשיות פלסטיקה בזיווד‬
‫תעשיות תקשורת ‪-‬תכן ארונות ”‪ 19‬וסלי כרטיסים‬
‫מתע"ד\צילום\אופטיקה‬
‫תכן מכאני של חומרה למטרות אזרחיות‬
‫תנאיי סביבה למוצרים‬
‫ניהול טכני פרויקטאלי‬
‫ניהול פרויקטים‬
‫ועוד‪...‬‬
‫‪14‬‬
‫מושגים תרמיים‬
‫היבטים תרמיים ברכיבים‬
‫חשמליים‬
‫‪15‬‬
‫מקורות חום‬
‫חום נוצר ברכיבים אלקטרוניים על ידי הפיכת האנרגיה החשמלית שהם‬
‫צורכים לחום‪ .‬צריכת האנרגיה החשמלית מחושבת בדרך כלל על ידי‪:‬‬
‫‪2x‬‬
‫‪P=I R‬‬
‫אך לא תמיד‪:‬‬
‫‪ ‬כאשר לזרם ולמתח מופע שונה‪ ,‬כגון בסלילים או קבלים‪ ,‬רק המרכיב‬
‫ה"ממשי" של התנגדות משתתף בחישוב‪.‬‬
‫‪ ‬ברכיבים הנטענים באנרגיה‪ ,‬כמו סוללות או קבלים‪ ,‬הספק הצריכה אינו‬
‫הופך כולו לחום‪.‬‬
‫‪ ‬כאשר הספק היציאה הוא משמעותי‪ ,‬כמו בווסתי‪-‬מתח‪ ,‬או בספקי‪-‬כוח‪,‬‬
‫רק חלק מההספק הנצרך הופך לחום‪.‬‬
‫‪16‬‬
‫מקורות חום‬
‫יש להבדיל בין‬
‫לבין‬
‫‪Power Consumption‬‬
‫‪Power Dissipation‬‬
‫‪(Power Consumption‬צריכת הספק)‬
‫פרמטר המגדיר כמות מרבית של הספק אשר יכולה להידרש לעבודה‬
‫תקינה של הרכיב\יחידה בכל רגע ורגע‬
‫‪( Power Dissipation‬פיזור חום)‬
‫פרמטר המגדיר כמות האנרגיה אשר הופכת לחום‬
‫במקרים רבים פרמטרים הללו שונים זה מזה בצורה דרסטית‬
‫‪t1‬‬
‫‪dt‬‬
‫‪17‬‬
‫‪P‬‬
‫‪consump.‬‬
‫‪0‬‬
‫‪1‬‬
‫‪‬‬
‫‪t1‬‬
‫‪Pdissip .‬‬
‫‪Duty Cycle‬‬
‫‪ ‬רכיבים מודרניים מסוגלים לבצע המון פעולות בו‪-‬זמנית‪ ,‬אך לא‬
‫כל הזמן הם מנצלים את היכולת הזאת‪.‬‬
‫‪ ‬צריכת ההספק קשורה ישירות לעומס הפונקציאונלי של הרכבים‬
‫ומכאן שגם פיזור החום תלוי בכמות הפעולות המבוצעות ביחידת‬
‫זמן‪.‬‬
‫וזה נכון גם ברמת הכרטיס וגם ברמת המערכת כולה‪.‬‬
‫‪ ‬לא פחות חשוב‪ ,‬יחס בין זמן פיזור הספק מרבי של רכיב (כרטיס‪,‬‬
‫מכלול) לבין זמן תגובה תרמי שלו‪ .‬לדוגמה כרטיס העובד ‪ 20‬דקות‬
‫בהספק מלא יגיע ל‪ Steady State‬ולהמשך פעולתו בהספק נמוך אין‬
‫משמעות‪.‬‬
‫‪ ‬חישוב פיזור חום נכון יש חשיבות מרובה בתכנון תרמי של מערכת!‬
‫‪18‬‬
‫צפיפות הספק‬
‫‪ ‬לאחר חישוב ההספק של רכיבים יש לחשב את צפיפות הספק‬
‫שלהם‪,‬‬
‫‪‬כאשר גובה הרכיבים קטן בהרבה מרוחבם ואורכם ניתן‬
‫להזניחו ולחשב ולהתחשב כאשר אינו ניתן להזניח‬
‫צפיפות הספק – ‪Power Density‬‬
‫‪Power Dissipation‬‬
‫‪Power Density ‬‬
‫‪Component Area‬‬
‫‪19‬‬
‫צפיפות הספק‬
‫‪‬מטרת החישוב‪:‬‬
‫‪ ‬איתור רכיבים חמים )‪ (Hot Spots‬על הכרטיס‬
‫‪ ‬זיהוי ראשוני של בעיות תרמיות הדורשות התייחסות מיוחדת‬
‫‪ ‬במידה וצפיפות הספק של הרכיב גדולה מזו של כרטיס כולו‪,‬‬
‫הרכיב צפוי להיות ‪(Hot Spot‬צפיפות ההספק אחד הפרמטרים‬
‫לזיהוי בוודאי לא היחיד)‬
‫‪ ‬במקרה של קירור ע"י זרימה מאולצת אין אפשרות להגדיר‬
‫ערכי סף‪ ,‬משום שהם מאוד תלויים בעוצמת הקירור‬
‫לדוגמא‪ 5( :‬וואט כרטיס ובה ‪ 4‬וואט רכיב בודד= ‪)hot spot‬‬
‫)‪(5/100*100)<<(4/10*10‬‬
‫‪20‬‬
‫‪500<<40,000 w/m²‬‬
‫פרמטרים תרמיים לרכיבים‬
‫פרמטרים תרמיים של רכיבים ניתן לחלק לשתי קבוצות‬
‫עיקריות‪:‬‬
‫‪‬קריטריון תרמי של רכיב‬
‫‪‬ביצועים תרמיים של מארז הרכיב‬
‫עם קבוצה ראשונה נמנים‪ :‬טמפרטורות מרביות ומינימאליות של‬
‫נקודות מוגדרות ברכיב‪ ,‬כגון‪ :‬צומת או תעלה‪ ,‬צדדים עליון‬
‫ותחתון של אריזה‪ ,‬רגל או ‪ cold plate‬וכו'‬
‫עם קבוצה שנייה נמנים ‪ :‬התנגדויות תרמיות בין נקודות‬
‫מוגדרות ברכיב‪ ,‬כגון‪ :‬צומת‪-‬מארז‪ ,‬מארז‪-‬סביבה‪ ,‬תעלה‪-‬רגל‬
‫וכו'‬
‫‪21‬‬
‫פרמטרים תרמיים לרכיבים‬
‫מטרת פרמטרים הללו היא להגדיר את גבולות הסיבולת של‬
‫הרכיב ואת ההתנהגות התרמית שלו‬
‫נרחיב בנושא ‪ Junction Temperature -‬המסומן במסמכים ‪Tj -‬‬
‫‪Absolute‬‬
‫מעבר עלול להיגרם לרכיב‬
‫נזק בלתי הפיך‬
‫‪22‬‬
‫‪Recommended Maximum Rating‬‬
‫שמעבר היצרן לא מבטיח ביצועים‬
‫פרמטרים תרמיים לרכיבים‬
‫‪ ‬מדידה של טמפרטורת הצומת היא משימה מאד מורכבת‪,‬‬
‫ספק אפשרי ולא מדויק ולכן יצרן של הרכיב אמור לספק למתכנן‬
‫פרמטרים‬
‫‪ Maximum Allowed Ambient Temperature ‬איך נמדדים?‬
‫‪ ‬יחד עם היותו המוכר והזמין ביותר הוא זוכה גם בתואר‬
‫“הבלתי‪-‬מוגדר ביותר”‬
‫‪23‬‬
‫פרמטרים תרמיים לרכיבים‬
‫‪‬איך בודקים ‪ Ambient Temperature‬היצרנים ?‬
‫‪ ‬רכיב הנבדק מותקן על הכרטיס בגודל ”‪4”x4‬‬
‫יחד עם רכיבי עזר הדרושים לצורך הפעלת רכיב הנבדק‪.‬‬
‫‪ ‬מעלים את טמפרטורת האוויר בתוך תנור ל ‪ 70‬או ‪ 85‬מעלות‬
‫ומפעילים את הרכיב‪.‬‬
‫‪‬תנאיי הניסוי‪ :‬מבנה הכרטיס‪ ,‬זרימת אוויר סביב לכרטיס לרוב אינו ידוע‪...‬‬
‫‪ ‬ברוב המקרים אין כל דמיון בין תנאי הבדיקה לתנאי עבודה של רכיב‬
‫בפועל‪ .‬לכן יש להיזהר בשימוש בחישובים תרמיים מכל סוג‬
‫בפרמטר של "טמפרטורת הסביבה המכסימלית" שהיא איכותית‬
‫בעיקרה‬
‫‪ ‬במקרים רבים כל ההבדל בין רכיבים ה"תעשייתיים" ל"מסחריים"‬
‫הוא ש"מסחריים" פשוט לא עברו את הבדיקה ב‪ 85-‬מעלות וכן עברו‬
‫‪ 24‬את הבדיקה ב‪70-‬מעלות‪.‬‬
‫פרמטרים תרמיים לרכיבים‬
‫‪ ‬לעומת זאת טמפרטורת הצומת אשר מגדירה מגבלות חד‬
‫חד ערכית קשה מאוד לבדיקה‬
‫‪ ‬היצרן מודד את טמפרטורת צומת וכן טמפרטורה‬
‫באחת או יותר נקודות המופיעות על האיור‬
‫‪Case Top‬‬
‫‪Junction‬‬
‫‪25‬‬
‫‪Board‬‬
‫‪Leg‬‬
‫פרמטרים תרמיים לרכיבים‬
‫‪ ‬היצרן מודד ההספק אשר הרכיב מפזר בעת מדידת‬
‫הטמפרטורות‪.‬‬
‫‪ ‬היצרן מחשב את התנגדות התרמית ‪q‬‬
‫‪qjc = (Tj-Tc)/Pd‬‬
‫‪°C/W‬‬
‫‪qjb = (Tj-Tb)/Pd‬‬
‫‪qjleg = (Tj-Tl)/Pd‬‬
‫‪26‬‬
‫פרמטרים תרמיים לרכיבים‬
‫‪ ‬היצרן מספק את הנתונים האלה למתכנן‬
‫‪ ‬המתכנן מודד את הטמפרטורה אשר עבורה ישנם נתוני ייצרן‬
‫‪ ‬המתכנן עושה חישוב הפוך‪ ,‬כלומר‪:‬‬
‫•‬
‫‪Tj=Tc+Pd* qjc‬‬
‫• ‪Tj=Tleg+Pd* qjleg‬‬
‫•‬
‫‪27‬‬
‫‪Tj=Tb+Pd* qjb‬‬
‫פרמטרים תרמיים לרכיבים‬
‫‪ ‬איסוף נתונים בטבלה עוזרת להבין דרכי פעולה נדרשים‪:‬‬
‫‪ ‬חישוב של צפיפות ההספק וטמפרטורת אריזה קריטית זהו‬
‫תחילתה של אנליזה תרמית‬
‫‪ ‬כרטיס חייב קירור אקטיבי‬
‫‪ CPU ‬זקוק לפתרון קירור מיוחד‬
‫‪ ‬לרכיב ‪ FPGA‬טמפרטורת אריזה קריטית נמוכה מאוד ומומלץ‬
‫כבר לחפש רכיב באריזה אחרת‬
‫במקרים רבים איסוף‪ ,‬ארגון וניתוח נתונים כמפורט לעיל מונע צורך‬
‫באנליזות מורכבות ויקרות‪.‬‬
‫‪28‬‬
‫מפגש בשבוע הבא‪:‬‬
‫מנגנון ושיטות סילוק חום בהולכה‬
‫בציוד אלקטרוני‬
‫‪29‬‬