April 2016 issue

סילוקחוםמרכיביםאלקטרוניים

דן גלעדי, רוטל דבקים וכימקלים

מבוא

אם בדף מידע טכני של חומר כלשהו נתונה "התנגדות תרמית" נדרש לוודא כי נלקחו בחשבון ההתנגדויות של נקודות המגע עם הרכיבים, יש לשים לב כי נתונים שיתקבלו עבור יישומים מעשיים אחרים יתנו תוצאות אחרות. ככל שערך ההתנגדות נמוך יותר מעבר החום טוב יותר. עקרונות הדרך המקובלת לסילוק חום היא הצמדת . החום מועבר Heat Sink הרכיב למקרן חום - מהרכיב למקרן במנגנון הולכה ומהמקרן לאוויר במנגנוני הולכה הסעה וקרינה. נקודת התורפה בתהליך היא ההתנגדות להולכה תרמית בתווך שבין הרכיב למקרן. התווך כולל תמיד בועות אוויר זעירות המבודדות בין הרכיבים ופוגעות משמעותית בהולכה התרמית. לשם שיפור ההולכה, נדרש ליישם בתווך חומר משפר הולכה. בחירה קפדנית של החומר משפיעה משמעותית על סילוק החום והקטנת טמפרטורת העבודה מטמפרטורה בלתי אפשרית לפעולה תקינה של הרכיב, לטמפרטורה נמוכה ה"נסבלת" על ידו לשם עבודה רציפה ויעילה. מהנדסים רבים נוטים להתבונן בנתון המוליכות התרמית הסגולית של חומר כפי שרשומה בדף המידע הטכני שלו ולבחור את חומר התווך אך ורק על פי נתון זה. גישה זאת הינה שגויה ואינה מאפשרת שיפור מעבר

מעבר החום לסביבה עד שהרכיב יגיע לטמפרטורה כזאת שקצב ייצור החום על ידו יהיה זהה לקצב הולכת החום לסביבה. במצב TSS זה טמפרטורת הרכיב תתייצב ותגיע ל- ). השאיפה היא Steady state temperature ( כדי לשפר את TSS להקטין את טמפרטורת ביצועי המערכת ולהגדיל את אמינותה. בהנחה שקצב ייצור החום על ידי הרכיב מוכתב משיקולים הנדסיים שאינם ניתנים לשינוי ובהינתן שהגיאומטריה של הרכיבים קשיחה גם היא, כל שנותר הוא לשלוט בתווך שבין הגורם היוצר את החום לבין מקרן החום ) שתפקידו לסלק את החום Heat Sink ( לסביבה. העיקרון המרכזי לשיפור הולכת החום בתווך הוא החלפת חומר בעל מוליכות תרמית גרועה 0.026 W (בועות אוויר - מוליך חום רע מאד / ) בחומר בעל מוליכות תרמית טובה ככל mK ). כמתואר באיור 0.5 W / mK האפשר (לפחות .1 מונחי יסוד תכונה סגולית כללית של מוליכות תרמית - חומר המופיעה כנתון בדפי המידע הטכניים שלו, תכונה זאת אינה תלויה בצורתו הגיאומטרית או בממדיו, ערך גבוה יותר מייצג הולכה תרמית גבוהה יותר. תכונה המתייחסת התנגדות/עכבה תרמית - ליישום מסוים וקשורה לממדים הפיסיים של הרכיבים ולחומרים מהם הם עשויים.

בתחום השיפורים המתמידים המיקרואלקטרוניקה מאפשרים מזעור הולך וגובר של הרכיבים האלקטרוניים. בד בבד עם הקטנת הממדים הפיסיים, הצריכה האנרגטית של הרכיבים עולה וכתוצאה - כמות וצפיפות החום הנוצרת על ידם גדלה. סילוק יעיל של חום מהרכיבים שמייצרים אותו הופך לאתגר משמעותי המשפיע ישירות על טמפרטורת העבודה של הרכיבים, על איכות ביצועיהם, ועל אורך חייהם. העברת חום מתרחשת בשלושה מנגנונים - קרינה, הסעה והולכה, אנו נדון במנגנון הולכת חום בלבד. החוק השני של התרמודינמיקה קובע כי גוף בעל טמפרטורה גבוהה יעביר (יוליך) אנרגית חום לגוף סמוך (או לסביבה) הנמצא בטמפרטורה נמוכה יותר. קצב מעבר החום קשור באופן ישיר להפרש הטמפרטורה בין הגופים, לגיאומטריה שלהם, לשטח המגע ביניהם ולאופי המוליכות התרמית של התווך ביניהם. רכיב אלקטרוני אשר במהלך פעילותו ) מעלה, עם הפעלתו CPU יוצר חום (לדוגמה את הטמפרטורה שלו, עליית הטמפרטורה ויצירת הפרש טמפרטורה בין הרכיב לסביבה גורמת להולכת חום לסביבה הקרה יותר. אם קצב מעבר החום לסביבה נמוך מקצב יצירת החום על ידי הרכיב הטמפרטורה תמשיך לטפס. עליית הטמפרטורה תגביר את קצב

New-Tech Magazine l 98