פתרונות ניהול תרמי של לוח משובץ

עיבוד מוגבר בקצה, שיפורי ביצועים ומזעור פלטפורמות משובצות הובילו לגידול בצריכת הספק ויצירת חום, תוך יצירת נקודות חמות תרמיות. מאמצים תרמיים יכולים לפגוע משמעותית בביצועים של‏ מערכות משובצות ואפילו לגרום לתקלת מערכת שלמה. חשיפה ארוכת-טווח לחום מוגזם גם מפחיתה את תוחלת החיים של‏ רכיבים אלקטרוניים.

הבנת טכניקות ניהול תרמי היא‏ חיונית לשמירת התקן במצב פעולה אופטימלי. ההתקדמות בתעשיית האלקטרוניקה הניעה את הצורך בטכנולוגיות ניהול תרמי חדשניות לשיפור אמינות וביצועים של מערכות. לפי Market Research Future, שוק הניהול התרמי העולמי צפוי להגיע ל-20.3 מיליארד דולר ארה"ב עד 2030, לגדול בקצב צמיחה שנתי מורכב (CAGR) של 8 אחוז בין 2022 ו-2030.

אביזרים תרמיים הם חיוניים לרוחב מוצרים אלקטרוניים שונים, לא רק מערכי FPGA‏, בשל החום הנוצר במהלך העבודה. ניהול תרמי נכון הוא חיוני לשמירה על ביצועים, אמינות ואריכות ימים בהתקנים אלה. כאן המסקנות מדוע אביזרים תרמיים חשובים עבור מגוון של מוצרים:

1. מיקרו-מעבדים ויחידות עיבוד מרכזיות (CPUs):

• יצירת חום: יחידות CPU, במיוחד במחשבים ושרתים עם ביצועים עיליים, מייצרים חום משמעותי בשל משימות חישוביות אינטנסיביות.
• אביזרים תרמיים: צלעות-קירור, משחה תרמית ומאווררי קירור הם קריטיים לצורך פיזור חום, למנוע thermal throttling (הורדת ביצועי התקן כדי למנוע נזק מחימום-יתר) ולהבטיח ביצועים יציבים.

2. יחידות עיבוד גרפי (GPUs):

• צריכת הספק גבוהה: יחידות GPU, במיוחד במשחקים, בינה מלאכותית (AI) ועיבוד נתונים, צורכים הספק רב‏ ומייצרים כמות‏ משמעותית של‏ חום.
• ניהול תרמי: פתרונות קירור כמו צלעות-קירור גדולות, מאווררים ולפעמים קירור נוזלי נחוצים כדי לשמור על טמפרטורות אופטימליות, למנוע התחממות-יתר, ולשמור על ביצועים עיליים.

3. יחידות ספק-כוח (PSUs):

• פיזור חום: ספקי-כוח ממירים מתח AC ל-DC, שכרוכה באובדן אנרגיה משמעותי בצורת חום.
• פתרונות קירור: קירור אקטיבי באמצעות מאווררים וקירור פסיבי באמצעות צלעות-קירור הם חיוניים כדי לשמור על הנצילות ואריכות הימים של‏ ספקי-כוח.

4. מודולי זיכרון (RAM, ‏DRAM):

• יציבות תפעולית: מודולי זיכרון מהירות-גבוהה יכולים לייצר חום, שבמידה ולא נבדק, יכול להוביל להשחתת נתונים או לאי-יציבות מערכת.
• אביזרים תרמיים: מפזרי חום ומאווררי קירור משמשים לפיזור חום ולשמירה על שלמות נתונים (data integrity) ומהירות.

5. ציוד רשתות (נתבים, מתגים):

• פעולה רציפה: ציוד רשתות לרוב עובד 24/7, מוביל לייצור חום רציף.
• דרישות קירור: צלעות-קירור, מאווררים ולפעמים קירור סביבתי (כמו מיזוג אוויר בחדרי שרתים) נחוצים כדי להבטיח ביצועים עקביים ולמנוע תקלות.

6. מערכות משובצות:

• אתגרי תכנון קומפקטי: מערכות משובצות לרוב פועלות בסביבות מוגבלות בהן פיזור חום הוא קשה.
• פתרונות תרמיים: צלעות-קירור מותאמות-במיוחד, פדים תרמיים ומארזים מיוחדים עם קירור משמשים כדי לנהל חום במערכות קומפקטיות אלה, כדי להבטיח אמינות ביישומים תעשייתיים ורכב.

7. התקנים ניידים (סמארטפונים וטאבלטים):

• אילוצים תרמיים: התקנים ניידים הם קומפקטיים עם מקום מוגבל לקירור, ועם זאת הם מריצים מעבדים וסוללות ביצועים-עיליים המייצרים חום.
• קירור חדשני: טכניקות כמו thermal throttling (הורדת ביצועי התקן כדי למנוע נזק מחימום-יתר), מפזרי חום עשויים גרפיט וחומרים מתקדמים משמשים לניהול חום מבלי להגדיל את גודל ההתקן.

8. סוללות ואחסון אנרגיה:

• בטיחות ואריכות ימים: סוללות, במיוחד בכלי-רכב חשמליים ובמערכות אחסון קיבולת-גבוהה, מייצרים חום במהלך טעינה ופריקה.
• ניהול תרמי: מערכות קירור, כולל קירור נוזלי, מערכות ניהול תרמי וחומרים עמידים בחום, הם חיוניים כדי למנוע חימום-יתר, שיכול להוביל לחיי סוללה קצרים יותר או אפילו למצבים מסוכנים.

9. ציוד טלקומוניקציה:

• עומס חום מתמשך: תחנת בסיס, אנטנות וציוד טלקום אחר מייצרים חום קבוע במהלך העבודה.
• צורכי קירור: צלעות-קירור, מאווררים ומארזים מבוקרי-אקלים הם חיוניים לשמירה על אמינות הציוד וזמינות השירות.

10. מערכות מחשוב ביצועים-עיליים (HPC):

• תפוקת חום קיצונית: מערכות HPC המשמשות במחקר מדעי, בינה מלאכותית וניתוח ביג דאטה, קשורים באשכולות מחשוב צפופים המייצרים חום משמעותי.
• קירור מתקדם: קירור נוזלי, קירור טבילה ומערכות קירור אוויר מתוחכמות הם קריטיים לניהול חום ולהבטיח עבודה שוטפת במהירות גבוהה.

אביזרים תרמיים הם הכרחיים במגוון רחב של מוצרים אלקטרוניים, לא רק במערכי FPGA‏. הם משחקים תפקיד חיוני בפיזור חום, מניעת התחממות-יתר ולהבטיח שהתקנים עובדים באופן אמין ויעיל. ללא ניהול תרמי מתאים, מוצרים אלקטרוניים יכולים לסבול מביצועים מופחתים, חוסר יציבות ופוטנציאלית תקלה קטסטרופלית. הבחירה של פתרונות תרמיים תלוי בדרישות הספציפיות של המוצר, כולל צריכת ההספק שלו, גודל וסביבת עבודה.

טכניקות פיזור חום נפוצות בפתרונות משובצים

טכניקות פיזור חום חיוניות יותר מאי פעם, עם מערכות שהופכות לקטנות וחזקות יותר. מתכננים יכולים להשתמש במספר שיטות כדי להסיר חום מרכיבים ומלוחות מעגל מודפס, עם מנגנונים משותפים הכוללים:

צלעות-קירור ומאווררי קירור - צלעות-קירור הן חלקים מתכתיים מוליכים תרמית בעלי שטח פנים גדול הפועלים כמחליפי חום פסיביים, מפזרים חום לאוויר הסביבה על ידי הולכה. הוספת מאווררי קירור לצלעות קירור מסייעת לסילוק מהיר ויעיל יותר של חום. שילוב זה הוא אחת השיטות הנפוצות והיעילות ביותר לקירור מערכת משובצת, במיוחד בסביבות עם זרימת אוויר מוגבלת.

איור 1‏: צלעות-קירור אלו עם מאוורר קירור מסייעות לפזר חום מהרכיב(ים) עליו (עליהם) הן מותקנות. (מקור התמונה: iWave)

אינטגרציה של צינורות חום - צינורות חום הם התקני קירור המשמשים ביישומים של טמפרטורה גבוהה. צינור חום‏ אופייני מורכב‏ מנוזל הסופג חום, מתאדה ונע לאורך הצינור. בקצה המעבה, האדים הופכים חזרה לנוזל, והמחזור חוזר על עצמו. צינורות חום הם יעילים ביותר ויכולים להעביר חום למרחקים ארוכים, מה שהופך אותם לאידיאליים עבור התקני אלקטרוניקה קומפקטיים ובצפיפות גבוהה.

מפזרי חום - למפזרי חום יש משטח שטוח גדול שנלחץ בדרך כלל ישירות כנגד משטח שטוח גדול אחר. הם מאפשרים העברת חום מרכיב קטן יותר למשטח מתכת גדול יותר. מפזרי חום הם אידיאליים עבור התקנים שחייבים לעמוד בזעזועים ורעידות קיצוניים או שוכנים בתוך מיכלים אטומים. הם מספקים פתרון איתן לניהול חום במערכות משובצות מוקשחות ואטומות.

מצננים תרמואלקטריים (TECs) - מצננים תרמואלקטריים הם אידיאליים עבור מערכות בהן טמפרטורת רכיבים חייבת להישאר קבועה. מעבדי פיזור הספק-גבוה משתמשים לעיתים קרובות ‏בשילוב של TECs, קירור אוויר וקירור נוזלי כדי להתפשט מעבר למגבלות קירור אוויר קונבנציונליות. TECs יכולים לקרר רכיבים לטמפרטורות מתחת לסביבה, מספקים בקרת טמפרטורה מדויקת.

Thermal Vias - מערכי Thermal via משולבים מעל אזורים ממולאים-נחושת וממוקמים קרוב למקורות אספקת-כוח. בשיטה זו, חום זורם מרכיבים לאזור הנחושת ומתפזר דרך האוויר מן ה-vias. מערכי ה-Thermal vias משמשים לעיתים קרובות במודולי ניהול הספק וברכיבים עם פדים תרמיים, משפרים את המוליכות התרמית של ה-PCB.

מערכות קירור נוזלי - נוזלים יכולים להעביר חום ארבע פעמים מהר יותר מאוויר, מאפשרים ביצועים תרמיים טובים יותר בפתרונות קטנים יותר. מערכת קירור נוזלי כוללת‏ לוחית קרה או מארז מקורר להתממשק עם מקור החום, משאבה או מדחס כדי להפיץ את הנוזל, וממיר חום לספוג ולפזר את החום בבטחה. קירור נוזלי הוא יעיל במיוחד עבור יישומי הספק-גבוה ומכלולי אלקטרוניקה ארוזים בצפיפות.

פתרונות תרמיים מבית iWave‏

צוות מומחים של מהנדסים מכניים ב-iWave‏ מתכנן צלעות-קירור, מאווררי קירור, ומארזים התפורים על פי המאפיינים התרמיים המיוחדים של מוצרי החברה. הם משתמשים בתוכנת סימולציה תרמית כדי לעזור למהנדסים לקבוע את הקירור המתאים ביותר ולהבין את הפרמטרים התרמיים הקשורים, בסופו של דבר לשפר את אמינות המוצר הכולל.

ניתוח דפוסי זרימת חום

על ידי שימוש בכלים כמו Ansys Icepak, מהנדסי iWave‏ יכולים לבצע סימולציה של דפוסי זרימת חום בתוך‏ ההתקן. ניתוח זה מסייע לזהות נקודות חמות תרמיות ולמטב את המיקום של רכיבי הקירור. על ידי הבנת האופן שבו חום עובר דרך מערכת, מהנדסים יכולים לתכנן פתרונות ניהול תרמי יעילות יותר.

תכנון צלעות-קירור בהתאמה מיוחדת

iWave‏ מתכננת צלעות-קירור בהתאמה מיוחדת כדי להתאים לצרכים הייחודיים של כל פרויקט. תהליך התכנון כולל חישוב ערכי פיזור חום תיאורטיים המבוססים על שטח פנים ותכונות חומרים. מהנדסים בודקים תכנים אלה באמצעות תוכנת סימולציה כדי להבטיח שהם מספקים קירור הולם בתנאי הפעלה שונים.

שיטות קירור להתקנים אקטיביים

שיטות קירור אקטיביות כגון שילוב מערכי TEC ומאווררי קירור, נשקלים גם בשלב התכנון. iWave‏ מעריכה את היתרונות והמגבלות של כל שיטה, בוחרת בפתרון היעיל והחסכוני ביותר עבור כל יישום.

פתרונות תרמיים לכל גורמי הצורה

iWave מציעה פתרונות תרמיים לכל גורמי הצורה, כולל OSM,‏ SMARC,‏ Qseven ו-SODIMM. פתרונות אלה משתמשים בסגסוגת אלומיניום AL6063 בשל תכונות החומר המצוינות שלה. אלומיניום הוא מוליך מעולה, לא רעיל, ניתן למחזור ועמיד במיוחד, מה שהופך אותו לאידיאלי להעברת חום מרכיבים.

באמצעות פתרונות תרמיים פנימיים, מתכנני מוצרים יכולים להפחית את עלויות היישום על ידי מניעת עיכובים הנדסיים, כשלים בשטח ואיטרציות של מוצר. הפחתת כמות החום המפוזר על ידי ההתקן משפרת את היעילות והאמינות, מבטיחה אריכות ימים של המוצר.

סיכום

המורכבות וצפיפות ההספק ההולכות וגדלות של מערכות משובצות מחייבות טכניקות ניהול תרמי מתקדמות. על ידי שימוש במגוון שיטות פיזור חום, מצלעות-קירור ומאווררי קירור עד מערכות קירור נוזלי ו-thermal vias, מתכננים יכולים להבטיח ביצועים ואמינות אופטימליים של ההתקנים‏ שלהם. חברות כמו iWave מספקות פתרונות תרמיים מיוחדים המותאמים לצרכים הספציפיים של המוצרים שלהן, ממנפות כלי סימולציה מתקדמים ותכנים מותאמים במיוחד כדי לעמוד באתגרים של אלקטרוניקה מודרנית.

למידע נוסף על המומחיות של iWave בתחום הפתרונות התרמיים, תתקשר אליהם ישירות.