กลยุทธ์ การ ปรับปรุง ความ หนาว ของ อิเล็กทรอนิกส์

เนื่องจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต้องเผชิญกับโจทย์การจัดการความร้อนที่เข้มข้นมากขึ้น การแก้ไขการเย็นแบบดั้งเดิมจะพิสูจน์ว่าไม่เพียงพอคําถามที่สําคัญเกี่ยวกับวิธีการทําลายอุปสรรคทางความร้อนเพื่อเพิ่มผลงานและความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์ได้กลายเป็นจุดมุ่งหมายหลักสําหรับวิศวกรอิเล็กทรอนิกส์และนักวิทยาศาสตร์วัสดุบทความนี้พิจารณาปัจจัยสําคัญที่ส่งผลกระทบต่อการระบายความร้อนในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ โดยเน้นเฉพาะการนําความร้อนและสํารวจกลยุทธ์การปรับปรุงจากหลายมุมมองรวมถึงการเลือกวัสดุ, การออกแบบโครงสร้าง และการใช้เทคโนโลยีที่ทันสมัย

ความสามารถในการนําความร้อน เป็นคุณสมบัติทางกายภาพพื้นฐานที่วัดความสามารถของวัสดุในการถ่ายทอดพลังงานความร้อนได้กําหนดว่าเป็นปริมาณของความร้อนที่ถ่ายทอดต่อหน่วยเวลา ผ่านพื้นที่หน่วยที่มีอุณหภูมิหน่วยในแอพลิเคชันการเย็นอิเล็กทรอนิกส์ ความสามารถในการนําความร้อนเป็นปัจจัยสําคัญในการระบายความร้อนวัสดุที่มีความสามารถในการนําความร้อนสูงสามารถถ่ายทอดความร้อนจากแหล่ง (เช่นชิป) ไปยังอ่างเก็บความร้อนหรือสื่อเย็นอื่น ๆ ได้อย่างรวดเร็ว, ทําให้ลดอุณหภูมิชิปและรับรองการทํางานของอุปกรณ์ที่มั่นคง

ความสามารถในการนําความร้อนมักจะแสดงด้วยสัญลักษณ์ k ด้วยหน่วย W/mK (วัตต์ต่อเมตร-เคลวิน) หรือ Btu/hr-ft-°F (หน่วยความร้อนอังกฤษต่อชั่วโมง-ฟาเรนไฮต์)การผลิตความร้อนเกิดขึ้นในส่วนประกอบต่างๆโดยเฉพาะเซมคอนดักเตอร์พลังงาน เช่น CPU และ GPU ในระหว่างการทํางาน กระแสผ่านความต้านทานสร้างความร้อน Joule ส่งผลให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้น โดยไม่มีการระบายความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพอุณหภูมิส่วนประกอบยังคงเพิ่มขึ้นซึ่งอาจนําไปสู่การลดลงของประสิทธิภาพ การสั้นอายุการใช้งาน หรือแม้กระทั่งความล้มเหลวอันมหันต์

การทําความเย็นของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ มีส่วนเกี่ยวข้องกับกระบวนการที่ซับซ้อน โดยทั่วไปความร้อนจะถ่ายทอดจากแหล่งไปยังสิ่งแวดล้อมภายนอกผ่านหลายระยะการเข้าใจเส้นทางการขับเคลื่อนเหล่านี้ ทําให้การปรับปรุงความร้อนที่เป้าหมายมากขึ้น:

• การถ่ายทอดความร้อนระดับชิป:ความร้อนเริ่มต้นเกิดภายในชิปและนําผ่านวัสดุชิป (มักจะเป็นซิลิคอน) ไปยังพื้นผิวความสามารถในการนําไฟของวัสดุชิปมีอิทธิพลต่อการกระจายอุณหภูมิภายในโดยตรง.
• อินเตอร์เฟซชิป-ซิงเคอร์:การถ่ายทอดความร้อนระหว่างพื้นผิวชิปและส่วนประกอบในการเย็น (หลุมระบายความร้อน, ท่อความร้อน) เจอความต้านทานทางความร้อนระหว่างผิวเนื่องจากการสัมผัสที่ไม่สมบูรณ์แบบและช่องว่างอากาศวัสดุอินเตอร์เฟซทางอุณหภูมิ (TIMs) เช่น ไขมันทางอุณหภูมิหรือพัดมุมมักจะใช้เพื่อลดความต้านทานนี้.
• การนําความร้อนภายในระบายความร้อน:การถ่ายทอดความร้อนผ่านโครงสร้างระบายความร้อนและการแลกเปลี่ยนกับสภาพแวดล้อมภายในผ่านพื้นผิว วัสดุระบายความร้อน, การออกแบบโครงสร้าง (รูปร่างจีโอเมตร, ขนาด, ระยะห่าง)และวิธีการเย็น (การกระจายทางธรรมชาติ, แรงอากาศ, การเย็นของเหลว) รวมกันกําหนดประสิทธิภาพการเย็น
• อินเตอร์เฟซระหว่างอุปกรณ์ระบายความร้อนกับสิ่งแวดล้อม:การถ่ายทอดความร้อนสุดท้ายเกิดขึ้นจากพื้นผิวของเครื่องระบายความร้อนไปยังสภาพแวดล้อมรอบ ๆ ที่อุณหภูมิแวดล้อมและสภาพการไหลของอากาศมีผลต่อผลงาน

เส้นทางการนําทางแต่ละเส้นทาง ส่งผลต่อความต้านทานทางความร้อน ซึ่งรวมกันสร้างความต้านทานของระบบทั้งหมดทําให้การลดความต้านทานทางความร้อน เป็นจุดสําคัญของการออกแบบเครื่องเย็นอิเล็กทรอนิกส์.

ความสามารถในการนําความร้อนจะแตกต่างกันไปตามปัจจัยหลายอย่างที่บอกการเลือกวัสดุและการปรับปรุงการออกแบบการเย็น:

• ประเภทวัสดุ:โลหะโดยทั่วไปแสดงความสามารถในการนําแสงสูงในขณะที่ไม่โลหะ (พลาสติก, เซรามิค) แสดงค่าต่ํากว่า ค่าอุณหภูมิห้องตัวแทนประกอบด้วยเงิน (429 W / mK), ทองแดง (401 W / mK),อลูมิเนียม (237 W/mK), ซิลิคอน (148 W/mK), กระจก (1.0 W/mK), พลาสติก (0.1-0.5 W/mK) และอากาศ (0.026 W/mK)
• อุณหภูมิสําหรับโลหะ การนําไฟโดยทั่วไปลดลงเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น เนื่องจากการกระจายอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นวัสดุที่ไม่ใช่โลหะแสดงความขึ้นอยู่กับอุณหภูมิที่ซับซ้อนขึ้น โดยพิจารณาจากลักษณะโครงสร้างเล็กและโฟนอน.
• ความบริสุทธิ์และความบกพร่องของวัสดุ:วัสดุที่มีความบริสุทธิ์สูงกว่าที่มีความบกพร่องน้อยกว่าแสดงความสามารถในการนําไฟได้มากขึ้น เนื่องจากสิ่งสกปรกและความบกพร่องจะกระจายตัวบรรทุกความร้อน (อิเล็กตรอนหรือฟอนอน) ลดเส้นทางฟรีเฉลี่ย
• โครงสร้างคริสตัล:วัสดุคริสตัลแสดงการนําทาง anisotropic กับการเปลี่ยนแปลงทิศทาง กราฟิตแสดงการนําทางในระนาบที่สูงเป็นพิเศษ แต่การนําทางตั้งต่ํากว่ามาก

การวัดความสามารถในการนําความร้อนที่แม่นยําเป็นสิ่งจําเป็นสําหรับการออกแบบการเย็น

• วิธีการในสภาพคงที่:การใช้ความแตกต่างของอุณหภูมิคงที่ระหว่างวัสดุและการวัดกระแสความร้อนและอุณหภูมิที่สมดุล เหมาะสําหรับวัสดุที่มีการนําไฟฟ้าสูง เช่นโลหะ
• วิธีชั่วคราว:การใช้แรงกระแทกทางความร้อนและการวัดการตอบสนองของอุณหภูมิระยะเวลา ที่มีประสิทธิภาพสําหรับวัสดุที่มีการนําไฟต่ํา เช่น พลาสติกและเซรามิก
• การวิเคราะห์ไฟเลเซอร์วิธีการที่โดดเด่นโดยใช้หลอดเลเซอร์ในการทําความร้อนพื้นผิวในขณะที่วัดการตอบสนองของอุณหภูมิพื้นผิวหลัง เพื่อคํานวณการกระจายความร้อนและการนําไฟ
• วิธี 3ω:เทคนิค AC ในการวัดการตอบสนองของความแรงดันต่อกระแสไฟฟ้าหมุนเวียน, เหมาะสําหรับการวัดความสามารถในการนําไฟในแผ่นบาง

การเย็นอิเล็กทรอนิกส์ที่มีประสิทธิภาพต้องการการปรับปรุงการนําความร้อนหลายด้าน:

• การเลือกวัสดุที่มีความสามารถในการนําไฟสูงการให้ความสําคัญกับวัสดุที่มีการนําไฟที่ดีกว่าในระบบการเย็น ทั้งหมด รวมถึงเครื่องเก็บความร้อนโลหะและ TIM ที่มีประสิทธิภาพสูง
• การปรับปรุงอินเตอร์เฟซ:ลดความต้านทานของผิวหน้าให้น้อยที่สุด โดยการทําปลายผิว, การปรับความดันสัมผัส และการนํา TIM มาใช้
• การปรับปรุงโครงสร้างระบายความร้อน:เพิ่มพื้นที่พื้นผิว ปรับปรุงรูปทรงของปีก และรวมองค์ประกอบการถ่ายส่งความร้อนที่ทันสมัย เช่น ท่อความร้อนและห้องควัน
• เทคโนโลยีการเย็นที่ทันสมัยการดําเนินการในการเย็นของเหลว ระบบเปลี่ยนเฟส การเย็นของไฟฟ้าร้อน และการแก้ไข microchannel สําหรับการใช้งานพลังงานสูง
• การบูรณาการของสารนาโน:การรวมนานาท่อคาร์บอน, กราเฟน, หรือ นาโนฟลิวได เพื่อเพิ่มผลงานทางความร้อน

การนวัตกรรมต่อเนื่องในระบบเย็นอิเล็กทรอนิกส์รวมถึงการพัฒนาหลายอย่างที่หวัง:

• โครงสร้างปรับปรุงความเย็น 3 มิติที่มีชิปบูรณาการ
• ระบบปรับปรุงการเย็นที่ตอบสนองต่อสภาพการทํางาน
• กลยุทธ์การจัดการความร้อนที่ปรับปรุงด้วย AI
• วัสดุประสานงานสูงรุ่นใหม่
• เทคโนโลยีการเก็บพลังงานความร้อน

สมาร์ทโฟนนําเสนอโจทย์การเย็นที่พิเศษเนื่องจากขนาดเล็กและความหนาแน่นของส่วนประกอบสูง

• ห้องควันสําหรับกระจายความร้อน
• เจลความร้อนสําหรับการลดความต้านทานของอินเตอร์เฟส
• ฟิล์มกราฟิตสําหรับการระบายความแรง
• ระบบเย็นของเหลวในรุ่นพรีเมี่ยม

ความสามารถในการนําความร้อนยังคงเป็นพาราเมตรหลักในการออกแบบเครื่องเย็นอิเล็กทรอนิกส์วิศวกรสามารถจัดการกับความท้าทายทางความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ เพื่อรับประกันความน่าเชื่อถือและผลงานของอุปกรณ์เนื่องจากความหนาแน่นของพลังงานยังคงเพิ่มขึ้น การนวัตกรรมที่ต่อเนื่องในเทคโนโลยีและวัสดุในการเย็นจะมีความสําคัญในการตอบสนองความต้องการการจัดการความร้อนในอนาคต