Congatec AG
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A toute vitesse tout en gardant la tête froide

 

Une solution de refroidissement intelligente pour des performances du processeur débridées

Les composants électroniques deviennent de plus en plus petits et de plus en plus puissants. Mais avec l’augmentation des fonctionnalités et de la densité des composants sur la puce et la carte, la chaleur produite par unité de surface est plus élevée. Le nouveau concept de refroidissement de congatec en instance de brevet pour les modules COM Express ouvre la voie à la croissance future de la performance.

Une efficacité à chaud

La chaleur n’est pas distribuée régulièrement sur la carte électronique. Des points chauds se présentent au voisinage des processeurs et des chipsets car ces composants génèrent le plus de chaleur. Pour cette raison, les processeurs possèdent des mécanismes intégrés pour les protéger de la surchauffe et des dommages qui en découlent. Les utilisateurs veulent tirer profit de tout le potentiel de performance. L’underclocking du CPU ou l’arrêt du processeur ne peuvent être que des solutions d’urgence. Des nouveaux concepts de refroidissement sont nécessaires pour permettre aux utilisateurs d’exploiter complètement la puissance de calcul disponible. Les solutions de refroidissement actuelles ont déjà atteint leurs limites alors que la tendance à l’augmentation de la performance se poursuit sans relâche. 

 
Le concept modulaire du COM Express ouvre la voie à une future croissance de la performance. Des modules plus récents et plus puissants se laissent facilement monter sur les cartes porteuses personnalisées existantes des clients. Alors que cette solution de conception évolutive aide les clients à créer rapidement et à faible coût de nombreuses applications différentes, le rendement maximum ne peut être atteint que si le processeur ne s’échauffe pas.

Concepts de refroidissement classique pour des TDP allant jusqu’à 35 W

Le design classique pour le refroidissement des COM ressemble à un sandwich avec les différentes fonctionnalités posées en couches l’une sur l’autre. Un bloc en cuivre ou en aluminium est monté sur la puce pour absorber la chaleur. Entre la puce et le bloc en cuivre ou en aluminium, un matériau à changement de phase peut être posé pour atténuer les effets des pics thermiques. Pour tenir compte des différences de hauteur entre les composants et des tolérances de fabrication, la couche suivante est composée d’une matière conduisant la chaleur et compensant les différences de hauteur, un enduit de remplissage. La dernière couche est constituée par le radiateur, une plaque d’aluminium ou de cuivre épaisse d’environ 3 mm. Toute la chaleur générée par le module est répartie à travers tout le radiateur.

Les dimensions du module et les interfaces sont définies par les spécifications de COM Express. Alors que la standardisation garantit la compatibilité, les spécifications concernant la taille peuvent conduire à ce que le dissipateur thermique ne puisse pas être aussi grand que souhaité. En conséquence, la structure de refroidissement ne convient qu’aux modules ayant une dissipation maximale de 35 W.

Les points chauds sont malvenus

Les modules COM Express modernes tels que le conga-BM67 possède un Intel® Core ™ i7 ou i5. La puissance dissipée par ces processeurs dépasse nettement les 35 W et les points chauds autour du processeur et du chipset deviennent un vrai problème. Un meilleur concept de refroidissement est nécessaire pour baisser la température du CPU ce qui est crucial lorsque la technologie Turbo Boost de 2ème génération est utilisée afin d’obtenir les meilleures performances et une efficacité énergétique maximale. En conséquence, le processeur peut fonctionner au-dessus des niveaux maximums autorisés pour l’enveloppe thermique (TDP)

Limites des solutions conventionnelles

Pour obtenir les meilleurs résultats au niveau de la dissipation de la chaleur, une connexion thermique parfaite avec le système de refroidissement est nécessaire. La conductivité thermique de la matière de remplissage est limitée. Lorsque les pertes d’énergie sont grandes, la couche de remplissage devient inévitablement plus mince. Les couches de remplissage minces ont une tolérance mécanique plus basse. Pour compenser les différences de hauteur entre les éléments, une pression supplémentaire doit être exercée. Au-delà d’une certaine pression, le PCB se plie ce qui conduit à son tour  à des dommages au niveau des connexions. Les joints de soudure des matrices de billes (BGA) ou les vias de la carte peuvent se casser. Dans une large mesure, la capacité de refroidissement dépend de la quantité de matériau absorbant la chaleur utilisé et de la taille de la plage de dissipation thermique. Le cuivre est cher et les grands dissipateurs thermiques sont lourds et nécessitent beaucoup de place qui souvent n’est pas disponible. A long terme, augmenter simplement la taille du puits thermique n’est pas une solution viable.

Les caloducs, une alternative appropriée

Dans les ordinateurs portables, des caloducs sont utilisés pour résoudre ce problème. Les caloducs transportent 100 à 1000 fois plus de chaleur qu’un tube équivalent en cuivre. Son secret réside dans le fait que de l’énergie est absorbée pendant l’évaporation et relâchée pendant la condensation. Le caloduc est connecté aussi bien à une interface chaude qu’à une interface froide et est rempli d’un liquide qui s’évapore du côté chaud et se condense du côté froid. Le condensat retourne à l’interface chaude par capillarité et le cycle recommence. Comme le caloduc fonctionne sous vide, le liquide s’évapore même à des basses températures. La force de capillarité dépend de la structure du caloduc. Sa géométrie et sa position  influence la vitesse de transfert du liquide et donc sa performance. Son rayon de courbure, son diamètre et sa position de montage doivent aussi être considérés. Comparativement, un ordinateur portable fournit un espace assez grand pour accueillir un caloduc. En revanche, les modules COM doivent toujours être connectés à la solution de refroidissement dans la même position géométrique car les modules sont interchangeables.

Les nouveaux modules de refroidissement donnent des idées aux clients innovants

La nouvelle solution de refroidissement de congatec crée de la place pour les idées novatrices des clients. Par exemple, le caloduc peut être conçu de telle façon qu’il peut être connecté à un dissipateur thermique propre aux clients. Un design sans ventilateur est rendu possible à la condition que le boîtier soit équipé d’ailettes de refroidissement de taille appropriée. Finalement, le design dépend de l’application spécifique. Les principales caractéristiques du concept peuvent être appliquées à d’autres circuits électroniques. Des points chauds peuvent aussi être présents dans les modules d’alimentation. par exemple, les circuits à semi-conducteurs des redresseurs et des onduleurs peuvent aussi profiter de cette solution de refroidissement efficace, bon marché et de petite taille.

Une durée de vie prolongée grâce à des réserves thermiques

La nouvelle solution de refroidissement est aussi adaptée aux systèmes dissipant peu d’énergie. Les modules ont une plus grande réserve thermique ce qui leur permet d’être plus fiable et de fonctionner plus longtemps. Des réductions de température moyennes de 5 K peuvent statistiquement doubler la durée de vie, un argument convaincant lorsque l’on considère le coût total sur toute la durée de vie du système.

Les avantages en un coup d’œil:

  • Un refroidissement ponctuel rapide pour de hautes performances
  • Suppression de la couche de remplissage
  • La suppression du stress mécanique apporte une meilleure qualité
  • Un meilleur refroidissement allonge la durée de vie du module
  • Le principe des caloducs rend possible des concepts de refroidissement novateurs et propres aux clients

Résumé:

La nouvelle solution de refroidissement en instance de brevet de congatec pour les modules COM ouvre la voie à de nouvelles performances.