Luento 4 diat
Transcription
Luento 4 diat
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