Bu yazıda, elektronik devre kartlarında daha etkili termal yönetim sağlayan uygulamaları ve elektronik devre kartlarından fazla ısıyı uzaklaştırmak için kullanılan yaygın yöntemleri ele alacağız.
Çoğu elektronik komponent, üzerlerinden bir akım geçtiğinde ısı yaymaktadır. Bu ısı miktarı, güç, cihaz özellikleri ve devre tasarımına bağlıdır. Komponentlerin yanı sıra, elektriksel bağlantıların direnci, bakır izleri ve vialar da bazı ısı ve güç kayıplarına katkıda bulunur.
Arızaları veya devre arızalarını önlemek için tasarımcılar, güvenli sıcaklık sınırları içinde çalışan ve kalan elektronik devre kartlarını üretmeyi amaçlamalıdırlar. Bazı devreler ek soğutma gerektirmeden çalışacaktır, ancak bazı durumlarda soğutucular, soğutma fanları, termal macunlar veya birden fazla mekanizmanın kombinasyonu eklemek kaçınılmaz olabilir.
Bir Elektronik Devrede Başarılı Bir Şekilde Termal Yönetim Yapabilmek İçin Önemli Noktalar Nelerdir?
Tasarım sırasında dikkate alınması gereken temel konular şunlardır:
- Komponentlerin performans verileri ve boyutları
- Önemli ısı yayıcı komponentler
- Elektronik devre kartının boyutu
- Elektronik devre kartı malzemesi, düzeni ve komponent yerleşimi
- Montaj ekipmanları
- Uygulama ortamının sıcaklığı
- Yayılan ısı miktarı
- Uygun soğutma yöntemleri, yani soğutma fanları, soğutucular, termal macunlar vb.
En iyi uygulama, komponent ve sistem düzeyindeki sıcaklığı yönetmektir ve işletme ortamını göz önünde bulundurmaktır. Soğutma mekanizması seçerken dikkate alınması gereken faktörler arasında yarı iletkenin paket özellikleri, ısı yayılma özellikleri vb. yer alır. Bu bilgiler genellikle üreticinin veri sayfasında bulunur.
Doğal konveksiyon soğutması, az miktarda ısı yayılan elektronik devre kartı için yeterlidir. Ancak, fazla ısı üreten devre kartları soğutucular, ısı boruları, fanlar, kalın bakır veya birkaç soğutma tekniğinin kombinasyonunu gerektirir.
Termal Direnç Nasıl Azaltılır?
Öncelikle termal direnç nedir? Termal direnç, ısı iletilmesinin ne kadar zor olduğunun bir ölçüsüdür. Termal direnç, iki belirli nokta arasındaki sıcaklık farkının, bu iki nokta arasındaki ısı akışına (birim zamanda iletilen ısı miktarı) bölümü olarak temsil edilir. Bu da demektir ki, termal direnç ne kadar yüksekse, ısı iletilmesi o kadar zor olur.
Düşük bir termal direnç, ısı transferinin malzeme içinden daha hızlı gerçekleşmesini sağlar. Bu direnç, doğrudan termal yolun uzunluğu ile orantılıdır ve termal yolun kesit alanı ve termal iletkenliği ile ters orantılıdır.
Termal direnç θ = t / (A × K)
Burada,
- t: Malzemenin kalınlığı
- K: Termal iletkenlik faktörü
- A: Kesit alanı
Tasarımcılar, termal direnci genellikle şu yollarla azaltır:
- Termal yolu azaltmak için daha ince bir PCB kullanma
- Dikey ısı iletimi için termal vialar eklemek
- Yatay ısı iletimi için bakır folyo ve kalın izler kullanmak
Fazla Isı Yayan Komponentler Nasıl Tanımlanır?
Hangi komponentlerin en fazla ısı ürettiğini anlamak ve ısıyı en iyi uzaklaştırma mekanizmasını seçmek önemlidir. Üreticinin veri sayfasını kullanarak, bir tasarımcı cihazın termal derecelendirmesini ve özelliklerini belirlemelidir. Çoğu zaman üreticiler, fazla ısıyı nasıl uzaklaştırılacağı konusunda rehberlik sağlarlar.
Elektronik Devre İçinde Oluşan Isıyı Uzaklaştırmada Komponentlerin Yerleşimi, Yönü ve Organizasyonu Neden Önemlidir?
Daha fazla güç harcayan komponentlerin, en iyi ısı uzaklaştırma sağlayan bölgelere yerleştirilmesi önemlidir. Bu, PCB’nin köşelerinde veya kenarlarında olmamalıdır, ancak bir soğutucu varsa bu durum değişebilir. Bileşenleri ortaya yakın bir yere koymak, cihazın etrafında ısı dağılımını sağlar, ancak yeterli hava dolaşımı için yeterli alan olmalıdır.
Sıcaklık dağılımını düzgün hale getirmek zor olabilir, ancak yüksek güçlü komponentleri bir araya toplamaktan kaçınmak önemlidir. Bunları eşit şekilde dağıtmak, sıcak noktaları önler.
Başka bir iyi uygulama, küçük entegre devreler, transistörler ve elektrolitik kapasitörler gibi hassas bileşenleri düşük sıcaklık alanlarına yerleştirmektir. Konveksiyon soğutmasına dayanan devrelerde, komponentleri (örneğin, entegre devreler) yatay veya dikey uzun bir şekilde düzenlemek, termal yönetimde yardımcı olur.
Elektronik Devre Kartlarından Isıyı Nasıl Uzaklaştırırsınız? Ve Isıyı Uzaklaştırmak için Kullanılan Ürünler Nelerdir?
Tasarımcılar, komponentlerden ve elektronik devre kartlarından ısıyı uzaklaştırmak için birçok teknik kullanabilirler. Yaygın mekanizmalar arasında soğutucular, soğutma fanları, ısı boruları ve kalın bakır bulunur. Çoğu zaman, daha fazla ısı üreten devreler birden fazla teknoloji gerektirir. Örneğin, bir dizüstü bilgisayar işlemcisi ve ekran çiplerini soğutmak, bir soğutucu, ısı borusu ve bir fan gerektirir.
Soğutucular
Elektronik cihazlarda ısıyı dağıtmak ve aşırı ısınmayı önlemek için soğutucu kullanılır. Genellikle alüminyum veya bakır gibi bir metal malzemeden yapılmıştır. Soğutucular, cihazın merkezi işlem birimi (CPU) veya diğer ısı üreten bileşenlerden ısıyı emer ve aktarır. Soğutucular, ısı transferi için kullanılabilir yüzey alanını artırarak ve yapraklar veya diğer yapılar aracılığıyla hava veya başka bir soğutma ortamının yüzeyi üzerinden geçişini artırarak çalışır. Bu, cihazın güvenli bir sıcaklıkta çalışmasına ve aşırı ısınmadan kaynaklanan hasarı önlemeye yardımcı olur.
Birçok uygulamada, cihaz bir elektronik bileşen (örneğin CPU, GPU, ASIC, FET vb.) ve çevreleyen sıvı hava olabilir. Cihaz, ısıyı iletme yoluyla soğutuculara aktarır. Soğutucudan ısı transferinin temel mekanizması konveksiyondur, ancak radyasyonun da küçük bir etkisi vardır.
İki farklı konveksiyon türü vardır:
Doğal konveksiyon: Akışkan parçacıklarının hareketi, bir katı yüzeyden sıvı parçacıklarına ısı transferi nedeniyle yerel yoğunluk değişiklikleri tarafından neden olunur.
Zorunlu konveksiyon: Akışkan parçacıklarının hareketi, bir fan veya üfleyici gibi ek bir cihaz tarafından neden olunur.
Soğutucular, katı ve akışkan arasındaki temas yüzey alanını önemli ölçüde artırmak amacıyla tasarlanmıştır, bu da ısı transferi için fırsatı artırır. Tipik bir ASIC’in, havayla temas halinde olan yüzey alanı sadece 1600mm2 olabilir. Bu cihazı soğutmak için kullanılan tipik bir soğutucunun yüzey alanı ise bu değerin 10 veya 20 katı olabilir.
Soğutucular Nasıl Çalışır?
Elektronik komponentler çalıştığında, üzerlerinden elektrik akımı geçtiği için ısı üretirler. Bu ısı, komponentlerin aşırı ısınmasını ve arızalanmasını önlemek için dağıtılmalıdır. Bir soğutucu, bu ısıyı emerek ve daha büyük bir yüzey alanına yayarak daha verimli bir şekilde dağılmasını sağlayarak çalışır.
Soğutucu genellikle elektronik komponente bir ısı arayüz materyali kullanılarak bağlanır, bu materyal genellikle termal macun veya ped gibi bir termal arayüz materyalidir. Bu materyal, ısıyı komponentten soğutucuya transfer etmeye yardımcı olur.
Isı soğutucuya transfer edildiğinde, konveksiyon yoluyla çevredeki havaya dağılır. Isıtıcının yüzey alanı ne kadar büyükse, ısıyı dağıtmada o kadar etkili olur.
Soğutma Fanları
Soğutucu ve fan, bilgisayar sistemlerinde entegre devreleri, genellikle merkezi işlem birimini (CPU) soğutmak için kullanılan aktif bir soğutma çözümüdür. Adından da anlaşılacağı gibi, pasif bir soğutma birimi (Soğutucu) ve bir fan içerir. Soğutucu genellikle alüminyum ve bakır gibi yüksek sıcaklıkta iletken bir malzemeden yapılmıştır ve fan, bilgisayar sistemleri için kullanılan standart olan DC fırçasız bir fandır.
Termal Macun
Termal macun, işlemci ile ısı emici arasına uygulanan bir maddedir.
Termal Macun Nasıl Kullanılır?
İşlemciler çok fazla ısınabilir, bu yüzden mümkün olan en kısa sürede ısıyı çekmek çok önemlidir. Ne yazık ki, hava ısıyı kötü bir şekilde ileten bir maddedir, bu nedenle CPU ile soğutucu arasında optimum transfer için mümkün olduğunca az hava olması gerekir.
Eğer bir bilgisayarın kasasını kontrol ettiyseniz, soğutucunun sıkıca CPU’ya monte olduğunu göreceksinizdir. Bu sızdırmazlık, havanın girmesini engellemek için yeterince iyi görünebilir; ne yazık ki, havayı dışarıda tutmak için yeterli değildir.
CPU’nun yüzeyi ve soğutucunun temas plakası, küçük oluklar ve boşluklarla kaplıdır. Eğer uygun şekilde kapatılmazlarsa, bu boşluklar işlemci ile soğutucu arasında hava geçişine izin verir ve ikisi arasındaki ısı transfer verimliliğini azaltır.
İşte burada termal macun devreye girer. Termal macun, sadece ısıyı iyi ileten bir madde değil, aynı zamanda donanımın yüzeylerindeki küçük boşluklara ve oluklara da girebilir. Bu, hava geçirmez bir sızdırmazlık oluşturur ve ısı transfer hızını artırır.
Zamanla, termal macun eskir ve kurur. Kuruluk, etkinliğini azaltır ve CPU’nun çok ısınmasına neden olur. Bu durum, insanların bir bilgisayarın aşırı ısınmasını önlemek için termal macunu tekrar uygulamayı önermelerinin nedenidir.
Isı Boruları
Isı boruları, sınırlı alanı olan kompakt cihazlar için uygundur. Borular, güvenilir ve maliyet etkin bir pasif ısı transferi sağlar. Faydalar arasında titreşimsiz bir çalışma, iyi termal iletkenlik, düşük bakım ve sessiz çalışma (hareketli parçaları olmadığı için) yer alır.
Tipik bir boru, az miktarda azot, su, aseton veya amonyak içerir. Bu sıvılar, ısıyı emerek, buharı oluştururlar ve bu buhar boru boyunca seyahat eder. Borunun bir kondansatörü vardır, buhar buradan geçerken yoğunlaşır ve sıvı formuna geri döner ve döngü tekrar başlar.
Termal Via Dizileri
Termal vialar, bakırın kütlesini ve alanını artırarak termal direnci azaltır ve kritik komponentlerden ısıyı iletmede yardımcı olur. Bu nedenle, vialar ısı kaynağına daha yakın bir konumda yerleştirildiğinde daha iyi performans elde edilir.
Bazı uygulamalarda, bir cihazdan (örneğin, termal olarak optimize edilmiş bir IC) gelen ısı, termal bir via dizisi ve pedin birleşimiyle iletilebilir. Bu, bir soğutucuya gerek kalmadan ısıyı PCB üzerinden daha iyi iletir.
Kalın Bakır İzleri
Daha fazla bakır kullanmak, ısı dağılımını ve yayılmasını artıran daha büyük bir yüzey alanı sağlar. Bu tür PCB’ler yüksek güç uygulamaları için uygundur.
Sonuç
PCB termal yönetim teknikleri, bileşenlerin ve devrenin yaydığı ısı miktarı, ortam, genel tasarım ve kasa gibi birçok faktöre bağlıdır. Isı üretimi düşükse, devre ek soğutma gerektirmeden çalışabilir. Ancak, devre daha fazla ısı üretiyorsa, ısıyı uzaklaştırmak için bir soğutma mekanizması olmalıdır. Termal olarak optimize edilmiş elektronik devre kartları sağlamak için, tasarımcılar kavram aşamasından başlayarak ve tasarım ve üretim aşamaları boyunca sıcaklığı etkileyen her şeyi düşünmelidirler.
