放熱とその動作原理を改善できる冷却技術

それでは、誰もが気にする究極の問題である熱放散について説明しましょう。

ヒートフィン

ヒートシンクはパッシブ熱伝達デバイスです。 ICパッケージから周囲の環境に熱を伝達する場合、その熱抵抗は、熱対流と熱放射によって引き起こされるパッケージから環境への並列熱抵抗よりもはるかに小さくなります。

図1は、Nフィンヒートシンク（Nはフィンの数）の熱抵抗モデルを示しています。ここでは、サーマルインターフェイスマテリアル（TIM）がパッケージの上部に接続されています。 パッケージとヒートシンク間の接触を改善するためにTIMが必要であるため、ヒートシンクの実効熱抵抗にはTIMの熱抵抗を含める必要があります。

ヒートシンクの等価抵抗は、TIMの抵抗にヒートシンクの下部の抵抗を加えたものにほぼ等しく、ヒートシンクの抵抗を数値Nで割った値になります。ヒートシンクの面積を大きくすることができるためです。パッケージの上面面積よりも、その熱対流および熱放射抵抗は、パッケージの上面の熱対流および熱放射抵抗よりも小さくすることができる。 また、抵抗をヒートシンクフィンの数で割ると、N倍の改善が得られます。 ただし、特定のヒートシンク基板領域で、Finの増加が特定の量よりも大きい場合、最終的に各Finの熱抵抗が増加します。これは、ヒートシンクが互いに接近し始め、効果が低下するためです。熱伝達係数。 。 また、これらの熱抵抗はヒートシンクの有効熱抵抗を直接増加させるため、ヒートシンクの全体的なパフォーマンスを向上させるために、ヒートシンクとTIMに高熱伝導率の材料を選択することが非常に重要です。

ヒートシンク

電子システムを冷却するための別の手法は、サーマルビアとヒートシンクを使用してICからPCBの背面により多くの熱を拡散させることです。 ICの下に配置された放熱穴は、PCBの熱抵抗を大幅に低減し、PCBの下部に配置された放熱プレートに熱を導くのに役立ちます。 ラジエーターは高熱伝導性材料（グラファイトなど）でできており、熱放散を改善するために表面積が大きくなっています。

ファン

パッシブヒートシンクまたはラジエーターでは熱を除去するのに十分でない場合、デスクトップコンピューター、ノートブックコンピューター、プロジェクターなどの家電システムでも、電子ファンを使用して熱を放散することができます。 ファンは電気モーターを使用し、熱を取り除くためにシステムの周りの空気の流れを積極的に動かすために電気を必要とします。 これによりオーディオノイズが発生する可能性があるため、ファンを選択する際にはノイズと信頼性の問題を考慮する必要があります。 今日の多くのファンは、パルス幅変調（PWM）信号を使用して速度を制御できるため、システム温度に基づいてファン速度を動的に調整する熱管理システムを設計できます。

ヒートパイプ

ヒートパイプは、熱伝導と相変化の原理を使用して、固体コンポーネント間で熱を伝達する熱伝達デバイスです。 ラジエーターパイプの相変化は、通常、液体が蒸発端で沸点に達し、気化してガスとしてパイプに広がるプロセスを指します。 コールドエンドに達した後、凝縮して熱を放出し、毛細管現象によって液体が蒸発エンドに戻ります。 蒸発端から凝縮端に熱を伝達する動きでは、このプロセスが継続的に繰り返されます。 ヒートパイプは、コンピューター、タブレット、スマートフォンなどの家電システムでも広く使用されています。

動的スロットリング

最後に、電気技師として、システムの電力消費を制御するためにさまざまな電力調整技術を実際に使用できますが、これは通常、システムのパフォーマンスを低下させます。 私たちの目標は、お客様がパフォーマンスを可能な限り重視しながら、最高のユーザーエクスペリエンスを享受できるようにすることです。 現在、多くの電子システムはPCB全体で熱センサーを使用しており、オンボードプロセッサがシステム内の温度を監視し、温度が上昇したときに動的なスロットリングの決定を行うことができます。 電気技師として、私たちはシステムのさまざまな電力曲線を自然に理解しています。 ファンをオンにしたり、機能を減らしたり、システムのさまざまな部分を無効にしたり、システム温度がさまざまな温度しきい値に達したときにクロック速度を制限したりすることで、期待を達成できます。