Congatec AG
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Massima velocità a mente fredda

Una soluzione di raffreddamento intelligente per prestazioni illimitate dei processori

I componenti elettronici diventano sempre più piccoli e più potenti. Ma al crescere delle funzionalità dei componenti e della densità di compattazione sul chip e sulla scheda, aumenta anche il calore prodotto per unità di superficie. Il nuovo concetto di raffreddamento congatec in attesa di brevetto per i moduli COM Express apre la strada alla futura crescita delle prestazioni.

Efficienza a caldo

Il calore non viene distribuito in modo uniforme sul circuito stampato. In prossimità dei processori e dei chipset, cioè i componenti che generano la maggior parte del calore, si formano punti di accumulo del calore (hot-spot). Per tale ragione, i processori sono dotati di meccanismi integrati che li proteggono dal surriscaldamento e dai conseguenti danni. Gli utilizzatori vogliono tuttavia sfruttare completamente il potenziale delle prestazioni. Ridurre la frequenza di clock della CPU o spegnere il processore possono essere soltanto soluzioni d'emergenza. Per consentire all'utilizzatore di sfruttare al massimo la potenza di elaborazione del sistema sono invece necessari nuovi concetti di raffreddamento. Le soluzioni di raffreddamento esistenti hanno già raggiunto i propri limiti, mentre la tendenza verso prestazioni sempre più elevate non accenna a diminuire.
 
Il concetto modulare COM Express può aprire la strada alla futura crescita delle prestazioni. Sulla scheda carrier esistente specifica del cliente possono essere montati moduli sempre più innovativi e più potenti. Questa soluzione di progettazione scalabile consente ai clienti di creare rapidamente e a basso costo un'ampia varietà di applicazioni, ma per potere sfruttare completamente le prestazioni del sistema è necessario che la tempertura del processore non aumenti.

Classica catena di raffreddamento fino a TDP di 35 W

Il classico design di raffreddamento di un modulo COM assomiglia a un sandwich, dove le diverse funzioni sono posizionate a strati una sull'altra. Sul chip è montato un blocco di rame o di alluminio che assorbe il calore. Tra il chip e il blocco di rame o alluminio è possibile posizionare un materiale opzionale a cambiamento di fase, che attenua gli effetti dei picchi termici. Per compensare le diverse altezze dei componenti e tenere conto delle tollerazione di fabbricazione, lo strato successivo è un materiale termicamente conduttivo di bilanciamento dell'altezza, il cosiddetto materiale di riempimento (gap filler). L'ultimo strato è formato da un dissipatore di calore, una piastra in rame o alluminio di circa 3 mm di spessore. Tutto il calore generato dal modulo è distribuito sull'intero dissipatore di calore.

Le dimensioni del modulo e le interfacce sono definite dalla specifica COM Express. Tale standardizzazione garantisce la compatibilità, ma le specifiche dimensionali possono comportare che il dissipatore non presenti necessariamente le dimensioni desiderate. Di conseguenza, questa struttura di raffreddamento è adatta unicamente a moduli con potenza massima dissipata di 35 W.

Il problema dei punti di accumulo di calore

I moderni moduli COM Express, quali il conga-BM67, sono dotati di un processore Intel® Core™ i7 o i5. La potenza dissipata di tali processori è significativamente superiore a 35 W e i punti di accumulo del calore attorno al processore e al chipset rappresentano un problema reale. È necessario un concetto di raffreddamento migliorato per ridurre la temperatura della CPU, un aspetto cruciale quando si utilizza la tecnologia Turbo Boost di seconda generazione per ottenere livelli massimi di prestazioni ed efficienza energetica. Di conseguenza, il processore può funzionare al di sopra dei livelli massimi di potenza termica di progetto (TDP) consentiti.

Limiti della soluzione tradizionale

Per ottenere i migliori risultati di dissipazione del calore è necessario che il collegamento termico al sistema di raffreddamento sia perfetto. La conduttività termica del materiale di riempimento è limitata. Quando le perdite di energia sono elevate, lo strato di riempimento diventa inevitabilmente più sottile. Gli strati di riempimento sottili presentano tolleranze meccaniche inferiori. Inoltre, per compensare le differenze di altezza dei componenti occorre applicare una maggiore pressione. Ad una certa pressione, il circuito stampato si flette, determinando un danno meccanico alle connessioni. I giunti saldati degli involucri o dei vias realizzati con tecnologia BGA (matrice a griglia di semisfere) sulla scheda possono rompersi. La capacità di raffreddamento dipende in larga misura dal materiale di assorbimento utilizzato e dalla superficie di dispersione del calore. Il rame è costoso; i dissipatori di grandi dimensioni sono pesanti e richiedono uno spazio normalmente non disponibile. Aumentare semplicemente le dimensioni del dissipatore non è pertanto una soluzione praticabile nel lungo termine.

La soluzione "heat pipe" – una valida alternativa

Nei laptop, per risolvere il problema si utilizzano tubi di tipo heat pipe. Questi tubi trasportano una quantità di calore circa da 100 a 1000 volte superiore rispetto a un tubo equivalente realizzato in rame pieno. Il segreto risiede nel fenomeno fisico dell'assorbimento dell'energia durante l'evaporazione e del suo rilascio durante la condensazione. L'heat pipe è collegato a un interfaccia fredda e a una calda, ed è riempito con un fluido di lavoro, che evapora sull'estremità calda e condensa su quella fredda. La condensa ritorna sulla superficie calda per azione capillare e il ciclo ricomincia. Poiché l'heat pipe è sotto vuoto, il fluido di lavoro evapora anche a basse temperature. Le forze capillari dipendendono dalla struttura del tubo, la cui geometria e posizione determinano la velocità di trasferimento del liquido di lavoro, influendo anche sull'efficacia di raffreddamento. Altri fattori di cui tenere conto sono il raggio di curvatura, il diametro del tubo e la posizione di montaggio. Un laptop dispone di uno spazio sufficiente per alloggiare una soluzione con "heat pipe". I moduli COM invece, essendo intercambiabili, devono sempre essere collegati alla soluzione di raffreddamento nella stessa posizione geometrica del sistema.

Il raffreddamento classico incontra la tecnologia "heat pipe"

Rapido raffreddamento dei punti di accumulo di calore, buona connessione termica, eliminazione della sollecitazione meccanica e superiore efficienza di raffreddamento mantenendo le dimensioni geometriche: soddisfare tutti questi requisiti sembra veramente un'impresa impossibile. congatec ha tuttavia affrontato questa sfida combinando ingegnosamente la soluzione classica con un tubo di tipo heat pipe strutturalmente modificato. A differenza del design classico, ora si utilizza un heat pipe appiattito per trasferire il calore dal chip alla piastra del dissipatore di calore. Il tubo è collegato direttamente ai blocchi di raffreddamento sul chip e sulla piastra del dissipatore. Tale configurazione consente di trasportare una maggiore quantità di calore dall'ambiente del processore al dissipatore, i punti di accumulo del calore si raffreddano più rapidamente e il raffreddamento del processore avviene in modo ottimale. Molle a spirale con tensione definita, nonché l'heat pipe stesso con la sua altezza flessibile, esercitano una pressione ottimale sul chip del processore.

Le tollerazione di fabbricazione nel processo di saldatura o le differenze di altezza dei chip possono essere così bilanciate in ogni direzione, rendendo superfluo lo strato di materiale di riempimento. Si tratta di un ulteriore vantaggio poiché quando i materiali di riempimento si riscaldano possono perdere olio al silicone, una condizione che può avere conseguenze negative in altre parti del sistema. L'heat pipe appiattito è alloggiato nei recessi del dissipatore di calore, che mantiene quindi la propria altezza. In corrispondenza dell'interfaccia calda, l'heat pipe poggia liberamente in un recesso; nell'estremità di condensazione è invece collocato in un ampio incavo della piastra del dissipatore. Ciò garantisce spazio sufficiente per la flessione del tubo, garantendo al contempo il perfetto collegamento termico su entrambe le estremità.

Il nuovo modulo di raffredamento è fonte di ispirazione per idee innovative dei clienti

La nuova soluzione di raffreddamento di congatec dà spazio a idee innovative da parte dei clienti. L'heat pipe può ad esempio essere progettato in modo da potere essere collegato a un dissipatore di calore specifico del cliente. Sono possibili anche versioni senza ventola, purché l'involucro sia equipaggiato con feritoie di raffreddamento di dimensioni adeguate. Il progetto dipende, in ultima analisi, dalla specifica applicazione. Le principali caratteristiche del concetto sono ugualmente applicabili ad altri circuiti elettronici. Anche nei moduli di potenza si formano punti di accumulo del calore. I circuiti semiconduttori nei raddrizzatori e negli invertitori, ad esempio, potrebbero beneficiare di questa soluzione di raffreddamento efficace, poco costosa e di dimensioni ridotte.

Maggiore durata grazie alle riserve termiche

La nuova soluzione di raffreddamento è adatta anche a sistemi con bassa potenza dissipata. I moduli hanno una maggiore riserva termica, che ne aumenta la durata e l'affidabilità. La riduzione media della temperatura di soli 5 Kelvin può raddoppiare la durata statistica – un argomento convincente se si considerano i costi totali relativi all'intero ciclo di vita di un sistema.

Tutti i vantaggi in un unico colpo d'occhio:

  • Rapido raffreddamento dei punti di accumulo del calore per un'efficienza totale
  • Eliminazione dello strato di riempimento
  • Eliminazione della sollecitazione meccanica, migliore qualità
  • Maggiore durata del modulo grzie al migliore raffreddamento
  • Il principio dell'heat pipe consente ai clienti di formulare concetti di raffreddamento innovativi

Riepilogo:

La soluzione di raffreddamento congatec in attesa di brevetto per moduli COM apre la strada a nuove dimensioni delle prestazioni.