Congatec AG
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A toda velocidad y con la cabeza fría

 

Una solución inteligente de refrigeración para el rendimiento ilimitado de los procesadores

Los sistemas electrónicos son cada vez más pequeños y más potentes. Sin embargo, a medida que aumentan las funcionalidades de los componentes y las densidades de empaquetamiento en el chip y en la placa, también se incrementa la producción de calor por unidad de superficie. El nuevo concepto de refrigeración de congatec (con patente pendiente) para módulos COM Express prepara el camino hacia el mejor rendimiento futuro.

Un rendimiento en caliente

 

Un rendimiento en caliente

En una placa de circuito, el calor no se distribuye de manera homogénea. Los puntos de mayor temperatura aparecen cerca de los procesadores y conjuntos de chips, ya que estos componentes son los que generan más calor. Es por ello que los procesadores cuentan con mecanismos integrados para evitar el sobrecalentamiento y los daños resultantes. Los usuarios desean aprovechar todo el potencial de rendimiento. Bajar la velocidad de reloj de la CPU (Downclocking) o apagar el procesador sólo son soluciones de emergencia. Es necesario desarrollar nuevos conceptos de refrigeración para que los usuarios puedan explotar al máximo la potencia informática disponible. Las soluciones existentes ya han alcanzado su límite, mientras se mantiene la tendencia orientada a lograr un mayor rendimiento.

 El concepto COM Express puede preparar el terreno para aumentar el rendimiento en el futuro. Los módulos, nuevos y más potentes, se montan fácilmente en una placa base existente de características específicas. Esta solución de diseño escalable ayuda a los clientes a crear una amplia variedad de aplicaciones de forma rápida y económica, pero para lograr el máximo rendimiento es necesario que el procesador permanezca refrigerado.

 

Clásicos diseños de refrigeración para hasta 35W, TDP

El clásico diseño de refrigeración de los módulos COM se asemeja a un sándwich, con las diferentes funciones superpuestas en capas. Un bloque de cobre o aluminio se monta sobre el chip para absorber calor. Entre el chip y el bloque de cobre o aluminio se puede colocar un material de cambio de fase opcional para mitigar los efectos de los picos térmicos. Para adecuar las diferentes alturas de componentes y tolerancias de fabricación, la siguiente capa está constituida por un material térmicamente conductor de compensación de altura, que actúa como relleno. La última capa es un disipador de calor, compuesto por una placa de aluminio o cobre de unos 3 mm de espesor. El calor generado por el módulo es distribuido a través del disipador en su totalidad.

La especificación COM Express define las dimensiones de los módulos y las respectivas interfaces. Esta estandarización garantiza la compatibilidad; sin embargo, según las especificaciones de tamaño, existe la posibilidad de que el disipador térmico no tenga la magnitud deseada. Por lo tanto, la estructura de refrigeración sólo es apta para módulos con una disipación máxima de 35W.

No a los puntos calientes

Los modernos módulos COM Express, como el conga-BM67, presentan un i7 o i5 de Intel® Core™. La disipación de potencia de estos procesadores es muy superior a 35W, y los puntos calientes en torno al procesador y al conjunto de chips se convierten en un problema real. Se debe mejorar el concepto de refrigeración para bajar la temperatura de la CPU, algo que resulta esencial para optimizar el rendimiento y la eficiencia energética cuando se utiliza la tecnología Turbo Boost de segunda generación. Por lo tanto, el procesador puede operar por encima de los máximos niveles permitidos de potencia de diseño térmico (TDP).

Limitaciones de la solución convencional

Para obtener los mejores resultados en relación con la disipación de calor, es necesario contar con una perfecta conexión térmica al sistema de refrigeración. La conductividad térmica del material del relleno es limitada. Cuando existen altas pérdidas de potencia, la capa de relleno se torna inevitablemente más delgada. Las capas de relleno delgadas tienen tolerancias mecánicas inferiores. Para compensar las diferencias en la altura de los componentes, se debe aplicar más presión. A una cierta presión, el PCB se dobla y esto, a su vez, provoca daños mecánicos en las conexiones. Así se pueden romper las juntas de soldadura de los encapsulados BGA (Ball Grid Array, es decir, matriz de rejilla de bolas) o las vías en la placa. La capacidad de refrigeración depende en gran medida de la cantidad de material que se utiliza para la absorción térmica y de la superficie que suministra calor. El cobre es caro; los disipadores grandes son pesados y requieren un espacio que generalmente no está disponible. Por lo tanto, un simple aumento del tamaño del disipador no es una solución viable a largo plazo.

Tubo de calor: una alternativa adecuada

En los ordenadores portátiles, se usan tubos de calor para resolver el problema. Dichos tubos transportan entre 100 y 1000 veces más calor que un producto equivalente realizado en cobre sólido. El secreto radica en un fenómeno físico: la energía se absorbe durante la evaporación y se libera durante la condensación. El tubo de calor se conecta a una interfaz caliente y a una fría, y se llena con un fluido de trabajo. Este se evapora en el extremo caliente y se condensa en el extremo frío. El condensado regresa a la interfaz caliente por acción capilar, y el ciclo vuelve a comenzar. Dado que el tubo de calor contiene un vacío, el fluido de trabajo se evapora incluso a bajas temperaturas. Las fuerzas capilares dependen de la estructura del tubo. La geometría y la localización influyen en la velocidad de transferencia del fluido de trabajo y, por ende, también afectan el rendimiento de refrigeración. Otros factores que deben tenerse en cuenta son el radio de curvatura, el diámetro del tubo de calor y la posición de montaje. Los ordenadores portátiles ofrecen un espacio relativamente grande para alojar una solución con tubo de calor. Por su parte, los módulos COM siempre deben estar conectados a la solución de refrigeración en la misma posición geométrica del sistema, ya que los módulos son intercambiables.

La refrigeración clásica se topa con el tubo de calor

Rápida refrigeración localizada, buena conexión térmica, eliminación de la tensión mecánica y mayor rendimiento de refrigeración con las mismas dimensiones geométricas: parece imposible alcanzar todos estos requisitos. Sin embargo, congatec ha superado el reto combinando hábilmente la solución clásica con un tubo de calor modificado en su estructura. A diferencia del diseño convencional, se utiliza un tubo aplanado para transferir el calor del chip a la placa del disipador. El tubo se fija directamente a los bloques de refrigeración en el chip y la placa del disipador. Como resultado, se transporta más calor desde el entorno del procesador al disipador, los puntos calientes se enfrían con mayor rapidez y el procesador logra una refrigeración óptima. Los resortes en espiral con una tensión definida y el propio tubo de calor con su altura flexible ejercen una presión óptima sobre el chip procesador.

Las tolerancias de fabricación en el proceso de soldadura o las diferencias de altura de los chips pueden compensarse en cualquier dirección, lo que hace innecesaria la capa de relleno. Esta es otra ventaja, porque el calentamiento de los materiales del relleno puede provocar una fuga de aceite de silicona, con consecuencias negativas en otros lugares del sistema. Los huecos del disipador permiten alojar el tubo aplanado, manteniendo así la altura. En la interfaz caliente, el tubo de calor se apoya libremente en un hueco; en el extremo de condensación, se coloca en una ranura ancha dispuesta en la placa del disipador. Esto asegura suficiente espacio para desviar el tubo, garantizando al mismo tiempo una perfecta conexión térmica en ambos extremos.

El nuevo módulo de refrigeración inspira ideas innovadoras para los clientes

La nueva solución de refrigeración de congatec da cabida a ideas innovadoras para los clientes. Por ejemplo, el tubo de calor puede diseñarse de forma tal que se conecte a un determinado disipador. Los diseños sin ventiladores son posibles, siempre que la carcasa cuente con aletas de refrigeración de tamaño adecuado. En última instancia, el diseño depende de la aplicación específica. Las características esenciales del concepto son igualmente aplicables a otros circuitos electrónicos. Los puntos calientes también se producen en módulos de potencia. Los circuitos semiconductores en rectificadores e inversores, por ejemplo, podrían sacar provecho de esta solución de refrigeración efectiva, económica y a pequeña escala.

Vida útil extendida gracias a las reservas térmicas

La nueva solución de refrigeración también es apta para sistemas con baja disipación de potencia. Los módulos tienen una mayor reserva térmica, que aumenta su vida útil y su fiabilidad. La reducción de temperatura promedio de sólo 5 Kelvin puede duplicar la vida útil estadística. Si se considera el coste total en relación con la duración de un sistema, el dato indicado representa un argumento convincente.

Las ventajas en un vistazo:

  • Rápida refrigeración localizada para un máximo rendimiento
  • Eliminación de la capa de relleno
  • Eliminación de la tensión mecánica para una mayor calidad
  • Mejor refrigeración para extender la vida útil del módulo
  • Principio de tubos de calor con conceptos innovadores de refrigeración para cada cliente

Resumen:

La nueva solución de refrigeración (con patente pendiente) de congatec para módulos COM prepara un terreno orientado hacia nuevas dimensiones de rendimiento.