Nieuwe koelstrategieën pakken thermische uitdagingen in elektronica aan

Nu elektronische apparaten te maken hebben met steeds strengere uitdagingen op het gebied van thermisch beheer, blijken traditionele koeloplossingen ontoereikend. De cruciale vraag hoe thermische knelpunten te doorbreken om de prestaties en betrouwbaarheid van apparaten te verbeteren, is een centrale focus geworden voor zowel elektronica-ingenieurs als materiaalwetenschappers. Dit artikel onderzoekt de belangrijkste factoren die de warmteafvoer in elektronische apparaten beïnvloeden, met bijzondere nadruk op thermische geleidbaarheid, en onderzoekt optimalisatiestrategieën vanuit meerdere perspectieven, waaronder materiaalkeuze, structureel ontwerp en toepassingen van geavanceerde technologie.

Thermische geleidbaarheid, een fundamentele fysische eigenschap die het vermogen van een materiaal meet om warmte-energie over te dragen, wordt gedefinieerd als de hoeveelheid warmte die per tijdseenheid wordt overgedragen over een oppervlakte-eenheid met een temperatuurgradiënt. In toepassingen voor elektronische koeling dient thermische geleidbaarheid als de beslissende factor voor de efficiëntie van de warmteafvoer. Materialen met een hoge thermische geleidbaarheid kunnen snel warmte van bronnen (zoals chips) naar koelplaten of andere koelmedia overbrengen, waardoor de chip-temperaturen worden verlaagd en een stabiele werking van het apparaat wordt gegarandeerd.

Thermische geleidbaarheid wordt typisch aangeduid met het symbool k met eenheden van W/mK (watt per meter-kelvin) of Btu/hr-ft-°F (British thermal units per uur-voet-Fahrenheit). In elektronische apparaten treedt warmte op in verschillende componenten, met name vermogenshalfgeleiders zoals CPU's en GPU's. Tijdens de werking genereert de stroom die door de weerstand gaat Joule-verwarming, waardoor de temperatuur stijgt. Zonder efficiënte warmteafvoer blijven de componenttemperaturen stijgen, wat mogelijk kan leiden tot prestatievermindering, een kortere levensduur of zelfs catastrofaal falen.

De koeling van elektronische apparaten omvat complexe processen waarbij warmte zich typisch van bronnen naar de externe omgeving verplaatst via meerdere fasen. Inzicht in deze geleidingspaden maakt een meer gerichte thermische optimalisatie mogelijk:

• Warmteoverdracht op chipniveau: Warmte ontstaat in eerste instantie binnen chips en geleidt door chipmaterialen (meestal silicium) naar oppervlakken. De thermische geleidbaarheid van chipmaterialen beïnvloedt direct de interne temperatuurverdeling.
• Chip-naar-koelplaat-interface: Warmteoverdracht tussen chipoppervlakken en koelcomponenten (koelplaten, heat pipes) ondervindt interface-thermische weerstand als gevolg van onvolmaakt contact en luchtspleten. Thermische interfacematerialen (TIM's) zoals thermisch vet of pads worden vaak gebruikt om deze weerstand te verminderen.
• Interne geleiding van de koelplaat: Warmte wordt overgedragen via koelplaatstructuren en uitgewisseld met de omgeving via oppervlakken. Koelplaatmaterialen, structurele ontwerpen (vingeometrie, afmetingen, afstand) en koelmethoden (natuurlijke convectie, geforceerde lucht, vloeistofkoeling) bepalen gezamenlijk de koelefficiëntie.
• Interface van koelplaat naar omgeving: De uiteindelijke warmteoverdracht vindt plaats van koelplatoppervlakken naar de omringende omgeving, waarbij de omgevingstemperatuur en luchtstroomomstandigheden de prestaties beïnvloeden.

Elk geleidingspad draagt thermische weerstand bij die gezamenlijk de totale systeemweerstand vormt. Een lagere totale weerstand levert betere koelprestaties op, waardoor de vermindering van de thermische weerstand de centrale focus is van het ontwerp van elektronische koeling.

Thermische geleidbaarheid varieert afhankelijk van meerdere factoren die de materiaalkeuze en optimalisatie van het koelontwerp bepalen:

• Materiaalsoort: Metalen vertonen over het algemeen een hoge thermische geleidbaarheid, terwijl niet-metalen (kunststoffen, keramiek) lagere waarden vertonen. Representatieve waarden bij kamertemperatuur zijn onder meer zilver (429 W/mK), koper (401 W/mK), aluminium (237 W/mK), silicium (148 W/mK), glas (1,0 W/mK), kunststoffen (0,1-0,5 W/mK) en lucht (0,026 W/mK).
• Temperatureffecten: Voor metalen neemt de geleidbaarheid doorgaans af met stijgende temperatuur als gevolg van verhoogde elektronenverstrooiing. Niet-metalen materialen vertonen complexere temperatuurafhankelijkheden op basis van microstructuur en fonontransportkenmerken.
• Materiaalsuiverheid en defecten: Materialen met een hogere zuiverheid met minder defecten vertonen een grotere geleidbaarheid, aangezien onzuiverheden en defecten warmtedragers (elektronen of fononen) verstrooien, waardoor de gemiddelde vrije paden worden verminderd.
• Kristalstructuur: Kristallijne materialen vertonen anisotrope geleidbaarheid met directionele variaties. Grafiet vertoont een uitzonderlijk hoge geleidbaarheid in het vlak, maar een veel lagere loodrechte geleidbaarheid.

Nauwkeurige meting van de thermische geleidbaarheid is essentieel voor het koelontwerp. Veelgebruikte methoden zijn onder meer:

• Stationaire methoden: Het toepassen van constante temperatuurverschillen over materialen en het meten van warmtestroom en temperatuurgradiënten bij evenwicht, geschikt voor materialen met een hoge geleidbaarheid zoals metalen.
• Transient methoden: Het toepassen van thermische pulsen en het meten van temporele temperatuurreacties, effectief voor materialen met een lage geleidbaarheid zoals kunststoffen en keramiek.
• Laserflitsanalyse: Een prominente transient methode waarbij laserpulsen worden gebruikt om oppervlakken te verwarmen en tegelijkertijd de temperatuurreacties van het achteroppervlak te meten om de thermische diffusie en geleidbaarheid te berekenen.
• 3ω methode: Een AC-techniek die spanningsreacties op wisselstromen meet, met name geschikt voor het meten van de geleidbaarheid van dunne films.

Effectieve elektronische koeling vereist een veelzijdige optimalisatie van de thermische geleidbaarheid:

• Selectie van materialen met hoge geleidbaarheid: Prioriteit geven aan materialen met superieure geleidbaarheid in koelsystemen, waaronder metalen koelplaten en hoogwaardige TIM's.
• Interface-optimalisatie: Het minimaliseren van de interface-weerstand door oppervlakteafwerking, aanpassing van de contactdruk en implementatie van TIM.
• Structurele verbetering van de koelplaat: Het vergroten van de oppervlakte, het optimaliseren van de vingeometrie en het opnemen van geavanceerde warmteoverdrachtselementen zoals heat pipes en dampkamers.
• Geavanceerde koeltechnologieën: Implementatie van vloeistofkoeling, faseveranderingssystemen, thermo-elektrische koeling en microkanaaloplossingen voor toepassingen met hoog vermogen.
• Integratie van nanomaterialen: Het opnemen van koolstofnanobuisjes, grafeen of nanofluïda om de thermische prestaties te verbeteren.

Voortdurende innovatie in elektronische koeling omvat verschillende veelbelovende ontwikkelingen:

• Driedimensionale chip-geïntegreerde koelstructuren
• Adaptieve koelsystemen die reageren op operationele omstandigheden
• Door AI geoptimaliseerde thermische beheerstrategieën
• Nieuwe generatie materialen met hoge geleidbaarheid
• Technologieën voor het oogsten van thermische energie

Smartphones vormen unieke koeluitdagingen vanwege compacte afmetingen en een hoge componentdichtheid. Veelvoorkomende oplossingen zijn onder meer:

• Dampkamers voor warmtespreiding
• Thermische gels voor het verminderen van de interface-weerstand
• Grafietfilms voor verbeterde dissipatie
• Vloeistofkoelsystemen in premiummodellen

Thermische geleidbaarheid blijft de hoeksteenparameter in het ontwerp van elektronische koeling. Door uitgebreide optimalisatie van materialen, interfaces, structuren en technologieën kunnen ingenieurs thermische uitdagingen effectief beheersen om de betrouwbaarheid en prestaties van apparaten te garanderen. Naarmate de vermogensdichtheden blijven stijgen, zal voortdurende innovatie in koeltechnologieën en materialen essentieel zijn om te voldoen aan toekomstige eisen op het gebied van thermisch beheer.