ELEKTRONİK SİSTEMLERİNSOĞUTULMASI

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 elemanlardaoluşacak 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 güçyoğunluğu, 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 ÇevreIsıl 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 üretilenIsı 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 : chipinGövde malzemesininIsı 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 seramikGibi dielektrik case malzemelerle iletilir. Daha sonra ısı bacaklar vasıtasıyla dışarıAtılır.

Isı transfer problemlerini çözerken, bazı kabuller yapılır. Örneğin şekilde, chip ile üst kapak arasında ısı iletimi düşük gaz olduğu için, üstten olan ısı transferiİhmal 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 elemanınıBu değerini tablolar halinde verirler. Isıl direnç bilinirse, junction ve dış yüzey arasındaki sıcaklıkArsındaki 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 ÇERÇEVELERİUygulamalarda, 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 açılarakVe içinde bakır yerleştirerek dahada azaltılabilir. Bu bakır dolgular 1 mm çapında ve birkaç mmAralıkla 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 emisivitesiσ: Stefan boltzman katsayısıσ= 5.67x10-8 W/m2K4

ZORLANMIŞ TAŞINIM

Doğal taşınımla soğutmanın yeterli olmadığı durumlarda, elektronik sisteme bir fan veyaHava 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.

𝑸= ˙𝒎𝑪𝒑 (𝑻 ç−𝑻 𝒈)

Şekilde görüldüğü gibi elektronik kutunun Yüzeyinden olan ısı transferi ihmal edilirse, ıTransferi sadece fanın üflediği hava ile olacaktır.

Zorlanmış taşınım, hem cisimlerin yüzeyindenHem de şekildeki gibi iç ortamdan olabilir.

Zorlanmış taşınım, akış hızına göre Laminar ve Türbülanslı akış olabilir. Bu özellik ReynoldsSayısına bakılarak tespit edilir.

İç akış da Re<2300 ise laminarİç akış da Re>2300 ise Türbülanslıdır

Dış Akışda.

Bir silindir veya küre üzerinden akışta Re<2x105 ise laminarBir 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 katsayısıD: 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/sDebide girmektedir. Isı bütün yüzey boyunca üniform olarak Dağılmaktadır. a. Kanal çıkışındaki hava sıcaklığınıb. Kanal içindeki en yüksek yüzey sıcaklığını bulunuz.

Havanın özelliklerini bulmak için çıkış sıcaklığını yaklaşık olarak 30 oCKabul 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 üniformVe ısı taşınım katsayısı sabit olduğundan, girişteki yüzey sıcaklığıda 20 +25,8oC =45.8 oCOlacaktır.

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

Tablo 15.2’ den 40-4000 için Nu,

Problem yan ve alt yüzey için çözülecektir. Yan yüzey için :

Karakteristik uzunluk D=0,0044 m

alt yüzey için : Karekteristik uzunluk plaka gibi düşünülerek L=0,0044 m dir.