elektron*ks*stemler*n so*utulması

ELEKTRONİK SİSTEMLERİN
SOĞUTULMASI
Dr. İsmail HİLALİ
Dersin İçeriği
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Giriş ve Tarihçe
Elektronik elemanların Üretimi
Elektronik elemanların Soğutma Yükü
Isıl çevre
Değişik Uygulamalarda kullanılan Elektronik
Elemanların Soğutulması
İletimle Soğutma
Doğal Taşınım ve Radyasyonla Soğutma
Zorlanmış Taşınımla Soğutma
Sıvılarla Soğutma
Daldırma ile Soğutma(Dielektrik sıvılarla)
Giriş
Son yıllarda elektronik sahada çok hızlı gelişmeler olmuş, bu gelişmeler modern
hayatı baştan başa kuşatmıştır. Küçültülmüş radyolardan bilgisayarlara,
bilgisayar destekli sağlık, iş ve savunma sistemlerine, haberleşme ve gözlem
uydularına kadar birçok yere girmişlerdir. Aynı zamanda, uygulama sayısının
artması ile güvenilirlik ciddi bir problem haline gelmiştir. Özellikle vakum tüpü
ve transistörlü günlerden bu yana elektronik sistemlerin paketleme ve
performansında önemli gelişmeler olmuştur. Bu gelişmelerin çoğu paketleme ve
ısıl kontrol sistemlerindeki gelişmeler ile kendini göstermiştir. Özellikle savunma,
sağlık, iş ve uydu sistemlerinde kullanılan elektronik elemanlarda
oluşacak problemler yalnızca bu servislerin aksamasını sağlamayacak, aynı
zamanda insan hayatını önemli derecede etkileyecektir. Bu nedenle elektronik
elemanların performansının, hem de güvenilirliklerinin artırılması ihtiyacı vardır.
Elektronik paket ve sistemlerin uygun tasarımı ve güvenli çalışması için ısı
transferinin oldukça büyük önemi vardır. Bilgisayarın iki çevrim kartının (board)
arasındaki ısı geçişi, planlanmış veya planlanmamış geçişler, çalışma
esnasındaki açma ve kapama ile ortaya çıkar. Bu aynı zamanda çalışma
şartlarındaki değişmelerden meydana gelir. Kararsız durum, ısıl performansı
azaltmak ve mekanik arızalara kadar varabilecek ısıl gerilmeleri artırmak gibi
istenmeyen sonuçlar doğurabilir. Bilgisayar çevrim kartlarının üzerindeki
yongaların çalışma şartlarını değiştirebilirler. Bu nedenle yapıları gereği, zaman
içinde periyodik olarak çalışan ve bu sebeple hiçbir zaman kararlı duruma
ulaşamayan cihazlar için bu bilginin hayati bir önemi vardır. Birçok şirket
soğutmanın daha iyi olması için ileri ısıl analiz uygulamasına ve gelişmesine
doğru tasarım ve ısıl kontrol tekniklerine yönelmişlerdir [1,2,3]. Artan önem
nedeniyle araştırmacılar elektronik elemanların soğutulmasıyla ilgili çalışmalar
yapmaktadırlar.
Mikroelektroniklerin bulunması ile elektronik elemanların hacminin
küçülmesi ve daha hızlı devreler ve artan kapasite için talep, her devre ve
her birim hacim için, artan devre sayısı, güç dağılımının artışını
sağlamaktadır. Bu eğilim yonga, modül ve sistem seviyesinde artan güç
yoğunluğunu sağlar. Isı transferinde, yani soğutma sistemlerinde gelişme
olmazsa, bugünün elektronik elamanlarında var olan güç
yoğunluğu, elektriksel performans güvenilirliği azalır ve elemanlarda
fiziksel hasarlar meydana getirir.
Elektronik Elemanların Üretimi
Transistör, diode gibi basit elektronik elemanlar p-tipi, n-tipi yarı iletken bölgelerden
oluşur. Bu bölgeler dar bir alanda birleştirilir. Bu birleştirildikleri noktaya junction
denir. Isıl analizlerde bu elemanlar üzerinden elektronlar aktığı için birleşim
noktalarında ısı açığa çıkar. Yani bu birleşim noktaları(junction) ısı üretim noktalarıdır
ve elamanın en sıcak noktalarıdır. Silikon esaslı bir yarı iletkenli elektronik parçada,
junction sıcaklığı emniyet için 125 oC geçmemelidir. Bu nedenle uzun ömür ve düşük
bakım maliyeti için düşük junction sıcaklıkları istenir.
1. Yonga(chip) taşıyıcı: Chip, beklenmedik çevresel etkilerden hassas devreyi
korumak için, plastik, seramik den yapılmış katmandan veya taşıyıcı ile muhafaza
edilir.
Şekilde görüldüğü gibi bir taşıyıcı değişik elemanlardan oluşur. Chip, taşıyıcıya alt
yüzeyinden yapiştırılır. Silikon Chip’ i termal genleşmeden dolayı meydana gelecek
gerilmeleri önlemek için silikon’ un ısıl genleşme katsayısına yakın bakır alaşımından
meydana gelmiş levhaya yapıştırılır.
Chip’ de oluşan ısıyı taşıyıcıya atmak ilk adım olduğundan, elektronik elemanların ısıl
konforu için taşıyıcı tasarımı ilk seviyedir. Üretilen ısı, chipden taşıyıcıya iletim, taşınım
ve radyasyonla atılabilir. Fakat, taşıyıcılar tasarlanırken ısıl yönden ziyade elektriksel
yön göz önünde bulundurulmaktadır. Mesela, taşıyıcının boşukları, ısıl iletimi çok kötü
olan gazla doldurulur. Bu nedenle, chip ile taşıyıcı yüzeyi arasında büyük bir ısıl direnç
oluşur. Bu dirence, junction-taşıyıcı direnci denir. Bu drumda büyük bir sıcaklık farkı
oluşur. Bu direnç(, junction-taşıyıcı) chip ve taşıyıcının geometrisine ve boyutuna
bağlıdır. Yapıştıcının ve taşıyıcının cinside unutulmamalıdır.
Şekilde, bir chip çeşiti olan transistörün taşıyısı görülmektedir. Transistör küçük bir
silikon chip den yapılmış, disk şeklindeki bir boşluğa yerleştirilmiştir. Giriş ve çıkş
ayaklarıda görülmektedir.
2. Baskı Devreler (Elektronik Kartlar): Değişik özellikteki elekronik elemanlardan (diode,
transistör, direnç ve kapasitör gibi) meydana gelen parçalardır. Bu tür sistemler direkt
olarak hava ile soğutulurlar. Bazen kapalı olarak üretilirler. Bu drumda özel soğutucu ısı
değiştirgeçleri kullanmak gerekir.
3. Soğutucu kabinler
Elektronik elemanların Soğutma Yükü
Soğutma sisteminin seçim ve tasarımında, soğutma yükünü oluşturan ısı
.
akısının belirlenmesi ilk adımdır Bunun en kolay yolu, elektronik
elemandan geçen gerilim ve akımın tam yükteyken ölçülmesidir.
Termodinamğin 1. kanununa göre sisteme giren enerji çıkan enerjiye eşittir
Bu kabule uymayanlar: radar, radyo ve TV gibi değişik enerji çıkışları olanlardır.
Yonga, tek kristal silikonun bir dikdörtgen dilimi olup, mikroskobik elektronik devre içerir
ve pakete yerleştirilmiştir. Bir paket veya modül birden fazla yonga içerir. Paket devre
kartları (PWB) üzerine monte edilmiştir. Sistem de devre kartlarından oluşmuştur. Şekil
de elektronik sistem veya bilgisayar yapım seviyesi kademeleri görülmektedir
Isıl Çevre
Isıl çevre soğutucu tasarımı yaparken en önemli parametredir.
Değişik Uygulamalarda kullanılan
Elektronik Elemanların Soğutulması
Elektronik soğutma teknikleri, uygulamalara göre değişiklik gösterir. Uçak, uydu, roket ve
uzay araçları, iletişim(Radar, GSM baz istasyonları) sistemlerinde, gemi ve denizaltılarda…
İletimle Soğutma
L kalınlığında, A yüzey alanına sahip ve k ısı iletim katsayısına sahip bir düzlem
boyunca , sürekli ve 1 boyutlu ısı iletim denklemi:
Elektrik akımı ile analoji yaparsak, akım eşittir gerilim farkının
Elektrik direncine bölümüdür.
Chip Taşıyıcılarında İletim
Şekilde görüldüğü gibi, chip junctionda üretilen
Isı chip boyunca yayılır ve chipin kalınlığı boyunca
İletilir. Junctiondan chipin gövdesine Yayılan ısı
3-D olmasına rağmen diğer dirençlere sınırlama ısıl direnci
(Constriciton) Eklenerek 1-D Yaklaşık çözüm yapılacaktır.
k : chipin
Gövde malzemesinin
Isı iletim katsayısı
Chip, ısının kolayca iletilebilmesi için düşük iletim direncine
Ve yüksek iletkenliğe sahip yapıştırıcıyla, iletken
Bacakların bağlandığı plakaya yapıştırılmıştır. Bacaklarla plaka arasında metal
Bağlantı yoktur. Dolayısıyla, ısı plakadan bacaklara plastik veya seramik
Gibi dielektrik case malzemelerle iletilir. Daha sonra ısı bacaklar vasıtasıyla dışarı
Atılır.
Isı transfer problemlerini çözerken, bazı kabuller yapılır. Örneğin şekilde, chip
ile üst kapak arasında ısı iletimi düşük gaz olduğu için, üstten olan ısı transferi
İhmal edilir. Aynı şekilde chip’ in tabanından olan ısı transferi de case’ in
malzemesinin ısı iletim katsayısı düşük olduğu için, ihmal edilir. (Taşınım yok)
Junction-case direnci deneysel olarak tespit edildiği için, üretici firmalar elektronik elemanını
Bu değerini tablolar halinde verirler. Isıl direnç bilinirse, junction ve dış yüzey arasındaki sıcaklık
Arsındaki sıcaklık farkı bulunur.
Q: tüketilen güç
Gerçek junction sıcaklığı , case-ortam ısıl
direncine bağlı olduğu kadar, ortam sıcaklığına
da Bağlıdır. Case-ortam direncinin büyüklüğü,
ortamın cinsine(hava, su gibi) ve akışkanın
hızına Bağlıdır. Case-ortam ve case-junction
direnci seri şekilde bağlıdır ve toplam direnç
toplamıdır.
Birçok üretici, toplam direnci için tablolar oluşturmuştur. Şekilde gösterildiği gibi.
Baskılı Kartlarda İletim(PCB)
Isı üreten elektronik elemanlar, genellikle 10x15 cm boyutlarında
cam-epoxy laminat gibi elektriksel yalıtım yapan(ısı iletimi çok
zayıf) malzemelerden yapılmış dikdörtgen bir kart üzerine monte
edilir. Bu tür kartlar genellikle fan veya dielektrik sıvı ile soğutulur.
PCB lerde ısı iletimi için genellikle, bakır veya aluminyum
kaplamalar, ısı plakaları veya göbek kullanılır(Core). Bakır
kaplamanın kalınlığı , bakır ounce ile tanımlanır. Yani, bir ons
bakırdan yapılmış 1 ft2 bakır sacın kalınlığıdır. Bir ons bakır:
0.03556 mm dir. Bakırın ısıl iletim katsayısı Epoxy’ den 1500 kat
büyük olmasına rağmen ihmal edilip edilmeyeceği kesit alanına
bağlıdır. Çünkü iletim kesit alanı ile orantılıdır.
Şekilde görüldüğü gibi Bakır plakalı eni w , boyu L ve alan boyunca sıcaklık farkı ΔT olan bir
PCB göz önüne alalım. Sadece L boyunca ısı iletiminin olduğunu kabul edelim.
Efektif ısıl iletkenlik :
ISI ÇERÇEVELERİ
Uygulamalarda, PCB yi daha iyi soğutma yapabilmek için bakır plaka yerine ısı çerçeveleri
kullanılabilir. Şekilde görüldüğü gibi, chiplerde üretilen ısı, PCB ye, epoxy tabakasına, oradan
da Isı çerçevesine oradan da bir ısı kuyusuna veya soğuk bir plakaya iletilir. Buradan da dış
ortama atılır. Isı çerçeveleri mümkün olduğunca ince üretilir. Böylece merkez ile kenarlar
arasındaki sıcaklık farkı çok küçük olur. Isı PCB üzerinde düzgün olarak dağıldığı zaman,
merkez boyunca ısıl simetri olacağından, sıcaklık dağılımı ise, merkezde çalışan çip çok sıcak,
kenarda çalışan chip daha soğuk olacağından, ısı çerçevesi ve PCB boyunca parabolik olacaktır.
Isı çerçeveli sistemlerde, epoxy tabakasında iletim uzunluk yerine kalınlık boyunca olur.
Bu nedenle ısıl direnç çok küçüktür. Hatta bu direnç, şekilde görüldüğü gibi delikler açılarak
Ve içinde bakır yerleştirerek dahada azaltılabilir. Bu bakır dolgular 1 mm çapında ve birkaç mm
Aralıkla yerleştirilir.
DOĞAL TAŞINIM VE RADYASYON
Düşük güç tüketen elektronik sistemler, genellikle doğal taşınım ve radyasyonla
soğutulur.
Doğal taşınım, sıcaklık farkının akışkanda meydana getirdiği yoğunluk farkından
dolayı, akışkan hareketine dayanır. Akışkan ısıtıldığı zaman genleşir ve yoğunluğu
azalır. Daha az yoğun hava, yükselir ve doğal taşınım akımlarını oluşturur. Doğal
taşınımda, akışkanın debisi kontrol edilemediği için debi , kaldırma kuvveti ve
sürtünme arasındaki ilişkiye göre tespit edilir
Şekilde görüldüğü gibi, elektronik elemanların soğutulması için, kasa üzerinde soğuk hava
girişi ve çıkışı için yeterince kanal yerleştirilir. Akış direncini minimize etmek için hava girişi
alttan, çıkış da üsten verilmelidir.
Atmosferik basınçta laminar akış için taşınım katsayısı :
ΔT=Ts-Thava , L: karekteristik uzunluk, K: geometri ye bağlı katsayı
Eğer farklı bir basınç söz konusu ise:
P: atm olarak basınç
Sıcak yüzeyler, radyasyonla da soğutulabilir.
Radyasyonla ısı transferi :
Ε: yüzeyin emisivitesi
σ: Stefan boltzman katsayısı
σ= 5.67x10-8 W/m2K4
ZORLANMIŞ TAŞINIM
Doğal taşınımla soğutmanın yeterli olmadığı durumlarda, elektronik sisteme bir fan veya
Hava üfleyici eklenir. Böylelikle hava hızını , dolayısıyla debiyi arttırarak zorlanış taşınıma
başvururuz. Böylelikle ısı transfer katsayısını 10 kata kadar arttırabiliriz. Radyasyonla olan ısı
transferi ise zorlanmış taşınımın olduğu yerde ihmal edilebilir.
Şekilde görüldüğü gibi elektronik kutunun
Yüzeyinden olan ısı transferi ihmal edilirse, ı
Transferi sadece fanın üflediği hava ile olacaktır.
𝑸 = 𝒎𝑪𝒑 (𝑻ç − 𝑻𝒈 )
Zorlanmış taşınım, hem cisimlerin yüzeyinden
Hem de şekildeki gibi iç ortamdan olabilir.
Zorlanmış taşınım, akış hızına göre Laminar ve Türbülanslı akış olabilir. Bu özellik Reynolds
Sayısına bakılarak tespit edilir.
İç akış da Re<2300 ise laminar
İç akış da Re>2300 ise Türbülanslıdır
Dış Akışda.
Bir silindir veya küre üzerinden akışta Re<2x105 ise laminar
Bir plaka üzerinden akışta Re<5x105 ise laminardır.
İç akışta hidrolik çap:
Taşınımla ısı transferi Newton’ un soğutma kanununa göre yazılırsa:
Nusselt sayisi:
k: akışkanın ısıl iletim katsayısı
D: karekteristik uzunluk
İç ve dış Laminar akış için nusselt sayısı tabloda verilmiştir.
Re>2300 türbülanslı akış için aşağıdaki dittus-bolter eşitliği kullanılır.
Dış akış için.
İç akış için.
Örnek 15.13. Şekilde görüldüğü gibi, iki PCB board, aralarında
Dikdörtgen kesitli Havalandırma boşluğu kalacak şekilde,
Yerleştirilmiştir. Elektronik parçalardan dolayı açığa çıkan ısı,
İnce epoxy plakadan geçerek kanaldan akan havaya iletilmektedir.
Isı contalardan dolayı sadece kanala iletilmektedir.
12 cm genişliğinde, 0.3 cm yüksekliğinde ve 18 cm uzunluğundaki bu
Kanalda toplam 40 W ısı atılmaktadır. Hava kanala 20 oC de ve 0.72 l/s
Debide girmektedir. Isı bütün yüzey boyunca üniform olarak
Dağılmaktadır.
a. Kanal çıkışındaki hava sıcaklığını
b. Kanal içindeki en yüksek yüzey sıcaklığını bulunuz.
Havanın özelliklerini bulmak için çıkış sıcaklığını yaklaşık olarak 30 oC
Kabul edersek, ortalama 25 oC için tablo A-15’ den
a)
b)
Tablo 15.3’ den a/b=12/0,3=40 için Nu=8,24 bulunur
En yüksek yüzey sıcaklığı çıkışta olacaktır.
Çıkış hava sıcaklığı ile çıkıştaki yüzey arasındaki sıcaklık farkı 25.8 oC dir. Isı dağılımı üniform
Ve ısı taşınım katsayısı sabit olduğundan, girişteki yüzey sıcaklığıda 20 +25,8oC =45.8 oC
Olacaktır.
Örnek 15.14. Şekilde görülen transistör hava ile soutulmaktadır.
Transistörün case sıcaklığı 95 oC aşmaması istendiğine göre
tüketmesi Gereken maksimum gücü bulunuz.
Tf=(95+65)/2 =80 oC için tablodan
Problem yan ve alt yüzey için çözülecektir. Yan yüzey için :
Karakteristik uzunluk D=0,0044 m
Tablo 15.2’ den 40-4000 için Nu,
alt yüzey için :
Karekteristik uzunluk plaka gibi düşünülerek L=0,0044 m dir.