Congatec AG
We simplify the use of embedded technology

Полный вперед, сохраняя спокойствие

 

Полный вперед, сохраняя спокойствие

Электроника становится более компактной и все более и более мощной. Но при возрастании функциональности компонентов и плотности их размещения все больше тепла выделяется на единицу площади. Новая концепция охлаждения congatec (подана заявка на патент) для модулей COM Express прокладывает путь к будущему росту производительности. 

«Горячая» производительность

Тепло не выделяется равномерно по всей печатной плате. Горячие точки находятся около процессоров и чипсетов, так как эти компоненты вырабатывают большую часть тепла. Поэтому процессоры наделены интегрированными механизмами  для защиты от перегрева и, как следствие, повреждения. Пользователи хотят использовать весь потенциал производительности. Понижение частоты ЦПУ или выключение процессора могут применяться только в случае крайней необходимости. Нужны новые концепции охлаждения, чтобы позволить пользователям  использовать доступную вычислительную мощность в полном объеме. Существующие решения охлаждения уже достигли своих пределов, в то время как тенденция к увеличению производительности продолжается оставаться.
 
Понятие модульности COM Express может явиться путем к будущему росту производительности. Более новые и более  мощные модули легко устанавливаются на существующую несущую плату заказчика. В то время как это решение масштабируемого конструктива помогает заказчикам  быстро и недорого создавать большое разнообразие приложений, общая производительность зависит от способности процессора оставаться холодным. 

Классические варианты охлаждения разрабатываются для TDP до 35Вт

Классическая схема охлаждения COM напоминает сандвич из различных функций, расположенных слоями друг на друге. На микросхеме смонтирована пластина из меди или алюминия, чтобы поглотить тепло. Между микросхемой и пластиной из меди или алюминия может быть помещен дополнительный материал изменяющий фазу, для смягчения эффектов от тепловых пиков. Для учета различных высот компонентов и производственных допусков следующий уровень  - компенсирующий высоты, теплопроводящий материал, так называемый заполнитель разрыва. Последний уровень состоит из радиатора из алюминия или меди приблизительно 3 мм толщиной  пластины. Все тепло, выработанное модулем, распределено по всему радиатору.

Размеры модуля и интерфейсы определяются спецификацией COM Express. При этом стандартизация гарантирует совместимость, спецификации размеров могут означать, что радиатор не обязательно будет столь же большим. Как следствие, эта структура охлаждения подходит только для модулей с максимальной рассеиваемой мощностью 35 Вт.

Нежелательные горячие точки

Современные модули COM Express, такие как conga-BM67 имеют в своем составе процессор Intel® Core™ i7 или i5. Тепловыделение этих процессоров значительно выше, чем 35 Вт и горячие точки вокруг процессора и чипсета становятся настоящей проблемой. Улучшенная концепция охлаждения необходима для снижения температуры ЦП, которая крайне важна при использовании технологии Turbo Boost 2-го поколения для достижения максимальной производительности и эффективности использования. В результате процессор может работать выше максимальных уровней расчетной величины тепловой мощности (TDP).

Ограничения стандартного решения

Для лучшего рассеивания тепла требуется совершенное тепловое соединение с системой охлаждения. Теплопроводность материала заполнителя разрыва ограничена. Когда потери мощности высоки, слой заполнителя разрыва неизбежно получает тоньше. У тонких слоев заполнителя разрыва более низкие механические допуски. Чтобы компенсировать различия в высоте компонентов, должно быть приложено большее давление. При определенном давлении PCB изогнется, что приведет к поочередному механическому повреждению соединений. Паяные соединения выводов BGA или межслойные переходные отверстия на плате могут повредиться. Охлаждающаяся способность зависит в значительной степени от количества  тепла, поглощаемого используемым материалом, и площади поверхности распределения тепла. Медь дорогой материал; отвод большого количества тепла труден и требует пространства, которое обычно не доступно. Поэтому простое увеличение размера радиатора не является долгосрочным жизнеспособным решением.

Тепловая трубка – подходящая альтернатива?

Для решения проблемы в ноутбуках используются тепловые трубки. Тепловые трубки транспортируют приблизительно в 100 - 1000 раз больше тепла, чем эквивалентный канал, сделанный из меди. Секрет заключается в физическом явлении поглощения энергии во время испарения и ее выделении во время конденсации. Тепловая трубка соединена и с горячим и холодным интерфейсами и заполнена рабочей жидкостью. Она испаряется на горячем конце и конденсирует на холодном. Конденсат возвращается к горячему интерфейсу капиллярным путем, и цикл начинается снова. Так как тепловая трубка содержит вакуум, рабочая жидкость испаряется даже при низких температурах. Капиллярные силы зависят от структуры тепловой трубки. Геометрия и расположение влияют на то, как быстро передается рабочая жидкость, влияя, таким образом, на производительность охлаждения. Радиус изгиба, диаметр тепловой трубки и монтажное положение также нужно учитывать. Ноутбук обеспечивает сравнительно большое пространство для тепловой трубки. В отличие от него, модули COM, из-за своей  взаимозаменяемости, всегда должны соединяться с системой охлаждения в одной и той же геометрии.

Классическое охлаждение встречается с тепловой трубкой

Быстрое точечное охлаждение, хорошее тепловое соединение, устранение механического напряжения и большая производительность охлаждения при сохранении геометрических размеров – достижение всех этих условий звучит как  требование невозможного. Однако, congatec справился с проблемой, умело комбинируя классическое решение со структурно измененной тепловой трубкой. В отличие от классического варианта, сплющенная тепловая трубка используется для передачи тепла от микросхемы к пластине радиатора. Тепловая трубка присоединена непосредственно к охлаждаемым блокам на микросхеме и к пластине радиатора. В результате больше тепла транспортируется от среды, окружающей процессор, до радиатора, горячие точки охлаждаются быстрее, и процессор охлаждается оптимальнее. Спиральные пружины с определенной пружинной силой, а также сама тепловая трубка с его переменной  высотой, оказывают оптимальное давление на микросхему процессора. 

Производственные допуски в процессе спаивания или разности высот микросхем могут быть сбалансированы в каждом из направлений, что делает слой заполнителя разрыва ненужным. Это – еще одно преимущество, так как, когда материалы заполнителя разрыва нагреваются, они могут пропускать силиконовое масло, что может привести к отрицательным последствиям в каком-либо месте в системе. Углубления в радиаторе позволяют разместить в них сплющенную тепловую трубку, поддерживая, таким образом, высоту. В горячем интерфейсе тепловая трубка свободно покоится в углублении; в холодном интерфейсе трубка помещена в широкую канавку на пластине радиатора. Это обеспечивает наличие множества камер для преломления трубки с гарантией совершенного теплового соединения с обоих концов.

Новый модуль охлаждения вдохновляет на новаторские потребительские идеи

Новое решение по охлаждению от компании congatec предоставляет область действия для новаторских потребительских идей. Например, тепловая трубка может быть разработана таким способом, при которым она может быть соединена с теплоотводом для конкретного заказчика. Схемы без вентиляторов возможны в том случае, если корпус оборудован радиаторами теплоотвода  соответствующего размера. В конечном счете, решение зависит от конкретного приложения. Основные характеристики концепции одинаково применимы к другим электронным схемам. Горячие точки также имеют место в модулях питания. Полупроводниковые схемы в выпрямителях и инверторы, например, могли сильно выиграть от этого эффективного, недорогого, компактного способа охлаждения.

Увеличение продолжительности жизненного цикла за счет тепловых резервов

Новое решение для охлаждения подходит также для систем с малой рассеиванием мощности. У модулей есть более высокий тепловой резерв, что увеличивает продолжительность их жизненного цикла и надежность. То, что сокращение средней температуры только на 5оК могут удвоить статистическую продолжительность жизненного цикла, – убедительный аргумент при рассмотрении совокупных затрат за время жизненного цикла системы.

Преимущества с первого взгляда:

    • Быстрое точечное охлаждение для полной производительности 
    • Исключение слоя заполнения разрыва 
    • Устранение механического напряжения приводит к более высокому качеству
    • Лучшее охлаждение увеличивает продолжительность жизни модуля
    • Принцип тепловой трубки дает возможность применить инновационные понятия охлаждения для конкретного заказчика

Резюме:

Новое, заявленное на патент, решение для охлаждения от компании congatec для модулей COM прокладывает путь к новым значениям производительности.