ビュー: 19 著者: サイト編集者 公開時間: 2023-03-31 起源: サイト
PCB は、抵抗器、チップ、トランジスタなどを含む電子機器の核心であり、チップは最も高い発熱量を持っています。一般的なCPUは70～300Wで、これが主な熱源となります。 PCB の高集積化により、その加熱能力は増加し続けています。過度の高温は、電子機器の性能、信頼性、寿命に重大な悪影響を及ぼします。
温度に関連したコンポーネントの故障には、機械的故障と電気的故障が含まれます。機械的故障は、温度が変化すると、さまざまな材料の熱膨張と収縮の組み合わせが異なるため、材料の変形、降伏、破壊などを引き起こします。電気的故障は、トランジスタやチップ抵抗器などの部品の性能が温度変化によって変化し、熱暴走や電気的過負荷を引き起こすことです。同時に、過剰な温度により多数の電子が移動し、原子の振動が加速され、制御不能なイオン移動や原子への電子衝撃が発生します。これはイオン汚染やエレクトロマイグレーションを引き起こし、コンポーネントの安全性、安定性、寿命に重大な影響を与えます。
コンポーネントの放熱は、チップ レベル、パッケージ レベル、システム レベルに分けられます。チップレベルおよびパッケージレベルの放熱は、熱抵抗を低減するために材料と製造プロセスを最適化することから始まります。システムレベルの放熱とは、適切な放熱構造と冷却技術を使用して要件を満たす放熱システムを設計し、コンポーネントが安全かつ長期間動作できるようにすることです。国際半導体技術開発機構は、システムレベルの冷却がチップのエネルギー損失の増加を制限する主な理由であると提案しています。これは、高性能のシステムレベルの冷却技術の重要性を示しています。
作動流体の相変化に依存するかどうかに応じて、単相放熱と多相放熱に分けることができます。単相放熱には空冷が含まれます。 液体冷却、ジェットフロー、および熱電冷却。空冷と液冷はより成熟しており、広く使用されていますが、放熱効果は平均的です。多相冷却には、PCM、ヒート パイプ、エレクトロウェッティング、スプレーが含まれます。一般に、多相放熱は作動流体の相変化により大量の潜熱を吸収し、放熱効果がより優れており、これが重要な開発方向です。
コンポーネントの熱伝達方法は、チップからパッケージ シェルへの熱伝導として要約できます。ハウジングの底部は、リード線、はんだボールなどを介して PCB の銅箔に接続されています。銅箔は、PCB の面内および厚み内で熱を伝導します。面方向の熱伝達は伝導と対流によって行われます。しかし、厚み方向の熱伝導は基板の樹脂材料を通過する必要があり、その熱伝導率は非常に低い。したがって、銅メッキのビアが設けられることがよくあります。プリント基板上の異なる層の銅箔を接続し、厚み方向の熱伝導率を向上させます。
図 1 を例に挙げます。チップの上面はヒートシンクに接続されており、熱ははんだボールと基板を通ってPCBの上面の銅箔に下方に伝導されます。熱の一部は対流と面方向の熱伝導によって放散され、残りの熱はサーマルビアを通ってPCBの底面に到達し、ヒートシンクによって放熱されます。
空冷は自然対流と強制空冷に分けられます。熱流束の限界は約 5 W/cm 2 です。自然対流冷却は性能は劣りますが、低コストです。テレビなどの低熱流束機器に広く使用されています。強制空冷は、放熱性が強く、構造が簡単で信頼性が高く、CPUやデータセンターなどで広く使用されています。その研究は冷却フィンと流量制御の最適化に焦点を当てています。
液体の比熱容量は空気の比熱よりもはるかに大きいため、液体冷却は空冷よりも優れたパフォーマンスを発揮します。従来の液体冷却熱流束は最大 24 W/cm です2。マイクロチャネル液体冷却の熱流束は W/cm を超える場合があります2。液体冷却には浸漬冷却と 液体冷却プレート。浸漬冷却とは、熱伝導率の強い冷媒と熱伝導率の弱い冷媒に機器を浸漬することです。データセンターや基地局の冷却に使用されています。浸漬冷却の動作パラメータは冷却効果に大きな影響を与えます。システムの循環が速くなり、液体供給の温度が低下するため、冷却が促進されます。
液体コールドプレートは 、パッケージングの要件が低くなります。コンポーネントに直接接続でき、より多くのアプリケーション シナリオがあります。チャネル構造を最適化することで、熱伝達を向上させることができます。図 2 に示すように、最適化されたモデルは、熱放散を強化しながら流れ抵抗を低減します。 TCP の最高温度はそれぞれ 0.27% と 1.08% 減少しました。温度差はそれぞれ19.50%と41.88%減少しました。
マイクロチャネルは、通常は金属プレートに埋め込まれた新しいタイプの液体冷却プレートです。等価直径は 10 ～ 1000 μm です。小型、強力な放熱性、良好な温度均一性により、航空宇宙分野でよく使用されます。構造の最適化に加え、温度分布に応じてマイクロチャネル入口を調整するアルゴリズムなど、単に流量を増やすよりも流量分布を調整する方が熱抵抗とエネルギー消費量の削減に効果的です。新しい作動流体の研究は、ナノ流体と液体金属に焦点を当てています。液体金属はより良く機能しますが、より多くのエネルギーを消費し、腐食性が高くなります。ナノ流体に必要なエネルギー消費量は水のエネルギー消費量に近いため、理想的な冷却剤です。
ジェットフローは効率的な冷却方法です。元々は航空宇宙エンジンに使用され、その後高出力チップにも使用されました。熱流束は500W/cm を超えます2。よどみ点領域では噴流の方向が変わり、熱伝達効率は高いが、この領域から離れると冷却効果が急激に低下する。この問題を解決できるのがマルチノズル構造です。ジェット冷却の研究は、構造パラメータと作動流体に焦点を当てています。構造パラメータには、ノズルの直径、配列などが含まれます。また、衝突面の構造も冷却効果に影響します。たとえば、円錐面は平面と比較して冷却効果を 11% 高めることができます。作動流体に関しては、従来の流体よりも優れた性能を有するナノ流体や液体金属に関する研究が数多く行われています。
図 3 に示すように、熱電冷却はペルチェ効果を利用しており、導体として半導体が一般的に使用されます。熱電冷凍は小型で騒音がないという利点があります。熱流束は最大 15 W/cm で2、スペースが狭い PCB に非常に適しています。欠点は冷却効率が低いことです。この問題に対処するには、ホットエンドとコールドエンドでの熱交換を最適化することに加えて、熱電材料の性能を向上させることが最も重要です。熱電材料の主要な特性には、熱伝導率 κ、ゼーベック係数 α、電気伝導率 σ が含まれ、これらが合わせて zT を構成します。
zT は材料の熱電特性を反映します。一般に、電気伝導率を上げるか、熱伝導率を下げるなど、zT を大きくする必要があります。シリコン結晶に合金をドーピングして共晶材料を形成するなど、さまざまな材料をドーピングすると、熱電材料の性能を向上させることができます。粒径や二次相などの微細構造を制御することによって、合金の熱電特性を改善することもできます。適切な物理特性構成を選択することも重要です。単に α を増やすか、κ を減らすだけで zT を改善できますが、必ずしも冷却効果が向上するとは限りません。
ヒートパイプは、200 W/cm2 を超える熱流束を持つ高性能の熱伝達要素です。コンパクトな構造と高い信頼性により、端末電子機器に広く使用されています。ヒートパイプは作動媒体を使用して、真空チューブの吸熱端で蒸発し、発熱端で液化して熱を伝達します。チューブコアの多孔質材料は毛細管力を発生させ、作動流体の循環を維持します。
電子機器では一般に、フラット ヒート パイプ (UFHP) やループ ヒート パイプ (ULHP) など、コンポーネントの表面に密着できる超薄型ヒート パイプが使用されます。従来のヒートパイプと同様に機能しますが、形状と構造がわずかに変更されるだけです。 UFHP は、極薄の平板に打ち抜かれた伝統的な円筒形のヒート パイプです。 ULHP は、図 4 に示すように、液体と気体をそれぞれのチャネルで分離し、循環をよりスムーズにします。長距離と反重力の利点があります。
平板脈動ヒートパイプ（FPPHP）は、チューブコアを必要としない特殊なULHPであり、構造がシンプルで小型化が特徴です。 FPPHP は冷熱源と熱源の間に蛇行ループを形成します。熱源の作用により蒸発端と凝縮端の圧力不安定により複雑な二相流が発生します。作動流体は流路内で自発的に振動し、熱伝達を実現します。
ベーパーチャンバーは特殊なタイプの UFHP です。 1 次元の熱伝達を行うヒート パイプと比較して、ベイパー チャンバーは熱伝達効率が高く、2 次元表面での温度均一性が優れています。図 5 に示すように、従来の UFHP に比べて利点があります。
ダイは作動流体の循環を維持するための中心であり、液体と蒸気の相転移のためのインターフェースも提供します。したがって、ヒートパイプの起動と性能は主にコア構造に依存し、コア構造は微細溝コア、焼結コア、複合コア構造に分類できます。コアの最適化は主に、毛細管力、浸透性の向上、重量の軽減を目的としており、送液効率を向上させます。ヒートパイプのもう 1 つの鍵は作動流体です。熱抵抗は、UFHP 作動流体がコアのみを満たしているときに最も小さくなり、液体が多すぎると蒸気の流れが妨げられます。ナノ流体作動媒体は、より強力な相変化能力、流速、流れ駆動力を備えています。
柔軟なコンポーネントであるヒート パイプは、より良い結果を得るために他の熱放散技術と組み合わせられることがよくあります。ヒートパイプ - PCM が最も一般的です。さらに、蒸気室 - スプレー、ヒートパイプ - 熱電冷却などもあります。
PCMは、低コスト、軽量、放熱性が強いという利点があります。相変化の潜熱を利用してコンポーネントの温度を安定させます。たとえば、PCM はピーク電力期間中に溶融して熱を吸収し、低電力期間中に凝固して熱を放出します。 PCM は熱伝導率を向上させる必要があります。たとえば、マイクロカプセル PCM は、PCM の比表面積を増加させて熱伝導率を高めます。また、ナノマテリアル、金属発泡体、または膨張黒鉛を添加することでさらに向上させることができます。 PCM は、フィンが PCM から熱を伝導するのに役立ち、PCM はフィンの熱の放散にも役立つため、ヒートシンクを充填するためにもよく使用されます。
PCM は通常、図 6 に示すように、ヒート パイプ PCM などの他の冷却方法と組み合わせられます。ヒート パイプは PCM の熱伝導を向上させることができ、PCM はヒート パイプからの熱放散の一部を吸収する二次コンデンサーとして機能します。
エレクトロウェッティングは、エネルギー消費が低く、応答が速いため、あらゆる種類のチップに適しています。図7に示すように、誘電体液滴の移動と変形は電極によって制御され、相変化によってホットスポットの熱が吸収され、局所的なホットスポットが解消されます。その熱放散はマイクロチャネルレベルに達する可能性があります。液滴の形状と相転移は主に熱伝達に影響を及ぼし、熱伝達は電場の強度、周波数、温度に関係します。電界強度と表面温度を高めることにより蒸発を促進できます。
液膜の形成を促進し、摩擦を低減するには、液滴接触面の構造や材質を最適化する必要があります。例えば、超親水性ナノ多孔質コーティングは、液体膜の形成を促進することができる。さらに、ナノ粒子は液滴の接触角や接触直径などのパラメーターを改善し、液滴の内部擾乱を増加させて熱伝達を促進します。
スプレーは高い放熱性と大面積の冷却能力を備えています。熱流束の限界は 1200 W/cm に達します2。作動媒体はノズルを通して小さな液滴を形成し、その液滴は加熱面に衝突して相変化を起こして熱を吸収します。衝撃による液膜の乱れと液滴の相変化により、熱伝達が大幅に強化されます。スプレー冷却に影響を与える要因は、動作パラメータ、冷却剤の特性、および加熱面の特性に分類されます。
動作パラメータには、流量、液滴直径、スプレー方向などが含まれます。液滴直径を小さくすると、液滴速度が増加するよりも蒸発が促進されます。実際には、マルチノズルスプレーが一般的に使用されます。ノズルの配置も要因です。ノズルの数が多いほど、射出圧力が大きくなり、冷却速度が速くなります。電場を適用すると、液滴がより大きな比表面積を持つ微細な液滴に分解され、熱伝達が強化されます。電場の制御下では、さまざまな形式のエレクトロスプレーの熱放散を 2.8 倍に高めることができます。
ナノ流体、アルコールと水の混合物に加えて、界面活性剤も熱放散を改善できます。アルコールと水を併用すると、液滴の表面張力と接触角が大幅に減少します。界面活性剤は液滴の表面張力を低下させ、液滴の直径を増加させます。液膜はより速く厚くなる可能性があり、これは熱を奪う液膜の流れにとって有益です。伝熱面、すなわち直線溝構造などの表面構造の最適化により、伝熱効果を64.2％向上させることができます。表面の微細粗さを大きくすることで、熱伝達を約 116% 向上させることができます。フィン表面に微細な凹凸を加えることで、熱伝達をさらに高めることができます。
フィンなどの構造を最適化すると、境界層の乱流を強化して熱伝達を高めることができますが、流れ抵抗も増加します。この多目的な問題を解決するために、エネルギー消費を削減しながら熱伝達を改善することが研究の焦点です。ラジエーターの構造と動作パラメーターを最適化するために、直交実験、遺伝的アルゴリズム、トポロジーが一般的に使用されます。ラジエター表面の微細構造は、沸騰冷却時の気泡の発生やスプレー中の液滴の接触角などにも大きく影響します。
ナノ流体は熱伝導率が高く、ほとんどの冷却技術で使用できます。ナノ流体の安定性を維持することは重要な問題です。ナノ流体を短期安定化する方法には、超音波処理、pH の変更、分散剤の添加などがあります。ナノ流体の安定性を長期的に維持する方法はまだ研究される必要がある。ナノ粒子の濃度、種類、サイズなどは、熱伝達性能と流量消費電力に影響を与えます。粒子の濃度が高いと熱伝達が強化され、流れ抵抗が大きくなります。最適なパラメーターを決定するには多数の実験が必要です。熱管理材料にナノ粒子を使用すると、粒子濃度と粒子形状に関連する熱伝達性能を向上させることができます。現在、PCM へのナノ粒子の組み込みが広く研究されています。サーマルインターフェース、電子パッケージングなどの材料にナノ粒子を使用するには、さらなる研究が必要です。
アプリケーションシナリオでは、複数の放熱技術を使用して相互に支援し、最適な効果を達成し、将来の電子冷却の開発に新しいアイデアを提供します。ヒートパイプ-PCM、ヒートパイプ-空冷、PCM-液体冷却などの従来の放熱技術が提案されるにつれ、新しい技術を組み合わせることが開発の方向性となります。ヒートパイプと PCM は他のテクノロジーを柔軟に支援できるため、さらなる研究が必要です。
高度に統合された PCB およびコンポーネントは、短期間に大量の熱を発生し、局所的なホット スポットを形成する傾向があるため、冷却システムは迅速に応答する必要があります。ホットスポットの位置に応じて冷却液の配分と流量を調整する方が経済的です。そのためには、液体の注入口の大きさを調整するマイクロ流路など、精密な制御技術が必要となります。電場は、エレクトロウェッティング、スプレー、その他のシナリオなど、誘電性液体の流れを正確かつ柔軟に制御できます。将来的には、より多くの用途で流れを制御するために電場が使用される可能性があります。
現在の電子機器は空冷が主流です。コンポーネントのレイアウトを設計すると、サーマルビアを配置して PCB の縦方向の熱伝導を改善するなど、熱放散を最適化できます。部品の発熱・耐熱性に応じて空気の流れに沿って配置し、発熱・耐熱性の高い部品を下流側、発熱・耐熱性の低い部品を上流側に配置します。あるいは、部品の高さによる空気の流れの逆流配置を考慮してください。
ほとんどの場合、作動媒体は流動しており、発電所内の流体の圧力変動、渦電流の遮断、境界乱流の剥離によって発生する振動や騒音は、電子機器の長期使用には適していません。ファンの振動を改善する場合は、流れ場に応じて風角を調整し、羽根速度を下げる必要があります。ブレードのたわみと共振を利用した圧電ブレードなどの新しいパワーデバイスの開発により、振動や騒音の低減だけでなく、軽量化、小型化のニーズにも対応できます。
PCB 回路基板とその電子部品の高集積化と高出力化により、電子機器の熱故障の問題が徐々に顕著になり、電子技術の発展を制限する鍵となっています。ここでは、PCB 回路基板とその電子部品のシステムレベルの熱放散について紹介します。テクノロジー。単相放熱技術と多相放熱技術に分けられ、空冷、液冷、ジェット流、熱電冷却、ヒートパイプ、PCM、エレクトロウェッティング、スプレーなどの研究の進歩について説明します。既存の研究では、主に放熱構造、動作パラメータ、材料と作動流体、および放熱技術の結合を最適化しています。最後に、ヒートシンク設計、ナノ粒子の適用、放熱技術の結合、精密制御技術、PCB設計、振動低減と騒音低減など、いくつかの開発優先事項を提示し、さらなる開発への提案を提供します。
