Chladič (elektronika)

Chladič (v elektronike) je zariadenie, ktoré je určené na odvod prebytočného tepla vznikajúceho pri prevádzke elektronickej súčiastky alebo modulu tak, aby chladený objekt neprekročil maximálnu dovolenú prevádzkovú teplotu.

Princíp funkcie chladiča

Miera odvodu tepla (prostredníctvom chladiča) rastie s rastúcim odvodom teplôt medzi chladeným objektom a okolitým prostredím (ktoré má v predpokladanom ideálnom prípade konštantnú teplotu a nekonečnú tepelnú kapacitu). To znamená, že pri konštantnom zdroji tepla sa ustáli rovnováha medzi dodávaným a odoberaným teplom pri určitej teplote aktívneho prvku (zdroja tepla). Úlohou chladiča je dosiahnuť takú mieru odvodu tepla, aby bola táto teplota nižšia než je maximálna dovolená prevádzková teplota. Treba brať do úvahy aj závislosť životnosti a poruchovosti zariadenia od prevádzkovej teploty (pozri Arrheniovu rovnicu). Ekonomické podmienky pritom nútia prihliadať aj na pomer bežných prevádzkových a plánovaných medzných parametrov.

Kvantitatívny popis

Všetky fázy prenosu tepla od jeho zdroja do okolitého prostredia sú charakterizované tzv. tepelným odporom (príp. jeho prevrátenou hodnotu, tepelnou vodivosťou) jednotlivých nadväzujúcich chladiacich stupňov (t. j. tepelný odpor medzi), udávanou v K/W. Výsledný tepelný odpor celej sústavy je daný súčtom jednotlivých súčastí.

Teplota aktívneho prvku (zdroja tepla) je v rovnovážnom stave daná súčinom celkového tepelného odporu chladiacej sústavy a celkového dodávaného tepelného výkonu.

Konštrukcia

Prestup tepla zo zdroja tepla na povrch súčiastky

Teplo zo zdroja tepla (obvykle polovodičový integrovaný obvod) je odvádzané cez polovodičový substrát (podložku), na ktorom je obvod vytvorený, na vývody (piny) súčiastky a do plastového puzdra obvodu. Keďže najpoužívanejší polovodič – kremík – a aj bežné hmoty (plasty) používané na puzdrenie sú zlými tepelnými vodičmi, a prierez vývodov je relatívne malý (i keď sú z tepelne dobre vodivých materiálov (kovov)), je kapacita odvodu tepla takýmto spôsobom obmedzená na jednotky wattov.

Vo výkonových súčiastkach a iných súčiastkach s významnými výkonovými stratami (napr. CPU, FPGA a iné) je preto potrebné vytvoriť lepšie podmienky na prestup tepla medzi aktívnou vrstvou a povrchom súčiastky (ako aj umožniť malý prechodový tepelný odpor medzi povrchom súčiastky a samotným chladičom). Používalo a používa sa niekoľko postupov, často vo vzájomnej kombinácii:

kremíkový substrát sa po vytvorení obvodov stenčuje
čip sa upevňuje na masívny kovový prvok – ktorý tvorý jednu stenu puzdra (alebo je s ňou dobre tepelne vodivo spojený) – prostredníctvom tepelne vodivého lepidla, alebo spájky
čip sa po špeciálnej úprave montuje aktívnou stranou (obvodmi) priamo na takúto chladiacu plochu
puzdro je vyplnené tepelne vodivou vazelínou, alebo silikónovou hmotou (táto prax sa používala najmä u celokovových hermeticky vyplnených puzdier)
puzdro (najmä hermetické a klimaticky vysoko odolné) je tvorené špeciálnou tepelne vodivou (niekedy berýliovou) keramikou
puzdro má vytvorené prvky umožňujúce ľahkú montáž na chladič (napr. otvory)

Prenos tepla medzi povrchom súčiastky a chladičom

Prenos tepla medzi povrchom súčiastky a chladičom prebieha predovšetkým vedením tepla. Tento bod býva kľúčovým pre dobrý odvod tepla a aj malé technické chyby sa môžu prejaviť veľkými rozdielmi v celkovom tepelnom odpore.

Je potrebné predovšetkým zabezpečiť čo najväčšiu styčnú plochu medzi chladenou súčiastkou a chladičom. Nastáva pritom niekoľko problémov a je potrebné na ich odstránenie použiť jednu alebo viac špecifických postupov.

Rovinnosť a hladkosť povrchov – tepelne vodivé pasty, tmely a lepidlá

Pri nerovinnosti styčných plôch a pri ich zvýšenej drsnosti nie je možné ich priamym kontaktom dosiahnuť dostatočne veľkú plochu pre prestup tepla. Miesta, kde nedošlo k priamemu kontaktu, sú oddelené vrstvou vzduchu, ktorý je vynikajúcim tepelným izolantom.

Tam, kde neprichádza do úvahy dostatočná úprava rovinnosti a drsnosti, sa dajú využiť rôzne tepelne vodivé pasty, tmely a lepidlá. Pri ich aplikácii je potrebné sa snažiť o čo najtenšiu vrstvu, keďže majú obvykle tepelný odpor výrazne vyšší ako priamy kontakt chladeného povrchu a chladiča. U pást s obsahom kovových častíc môže pri neopatrnej aplikácii a kontaminácii vývodov dôjsť aj k nežiaducim zvodom či priamo skratom medzi vývodmi.

Prítlak

Pre dostatočný odvod tepla je potrebné udržať chladený povrch v tesnom kontakte s chladičom aj počas pohybov vyvolaných zmenami teploty, vibráciami a nárazmi. Je preto chladič potrebné udržiavať v kontakte so súčiastkou vhodnou mechanickou prítlačnou konštrukciou.

Je pritom potrebné dbať na rozdielnu teplotnú rozťažnosť jednotlivých súčastí, aby nedošlo k nedovoleným pnutiam a následnému poškodeniu. Preto na dosiahnutie dostatočného prítlaku je v niektorých prípadoch vhodnejšie použiť pružné systémy oproti pevným skrutkovaným či nitovaným spojom, ktoré sú však výrazne lacnejšie.

Izolačné podložky

Niekedy je potrebné dosiahnuť elektrickú izoláciu medzi povrchom súčiastky a chladičom. Vtedy sa medzi súčiastku a chladič umiestňuje tenká podložka z hmoty, ktorá má dobré elektrické izolačné vlastnosti, ale pritom je aj pomerne dobrým tepelným vodičom. Takýto zásah samozrejme zhorší chladenie súčiastky, ale môže byť nevyhnutný z konštrukčných alebo bezpečnostných dôvodov.

Tradične sa na tento účel používali pláty sľudy, a v menej náročných aplikáciách kúsok špeciálneho papiera či textilu impregnovaného rôznymi látkami. Dnes sa na tento účel používajú rôzne polymérové fólie, ktoré sú dodávané priamo v rozmeroch pre jednotlivé štandardné typy púzdier.

Rozvod a rozptýlenie tepla

Chladič musí zabezpečiť rozvod tepla z pomerne malej plochy súčiastky a rozptýliť ho do okolia. Na rozvod aj rozptýlenie tepla do okolia sa používajú všetky metódy prenosu tepla: prirodzený prenos vedením, vyžarovaním aj prúdením, ako aj aktívne tepelné čerpadlá.

Pasívne chladiče

Tieto chladiče neobsahujú žiadne pohyblivé časti a na svoju funkciu nepotrebujú žiadnu energiu dodávanú zvonku. Ide obvykle o masívne kovové bloky s jednou rovnou stranou (na pripevnenie k chladenej súčiastke) a s mohutným rebrovaním.

Pre zvýšenie rozvodu tepla je blok vytvorený z tepelne dobre vodivého kovu, obvykle hliníka, u najnáročnejších aplikáciách z medi (príp. ich kombinácie). Pre zvýšenie odvodu tepla žiarením sú obvykle čiernené (eloxované). Mohutné rebrovanie podporuje prenos tepla medzi chladičom a okolitým vzduchom, pričom sa vhodným umiestnením dá dosiahnuť zvýšená účinnosť chladenia vďaka prirodzenému gravitačnému pohybu ohrievaného vzduchu.

Ventilátory

Chladiče s ventilátormi využívajú nútené prúdenie vzduchu okolo rebrovania chladiča (alebo priamo okolo chladenej súčiastky) vyvolávané elektricky poháňaným ventilátorom, na zvýšenie účinnosti prestupu tepla medzi chladičom a vzduchom.

Aj keď ide o najpopulárnejšie a najlacnejšie riešenie chladenia v prípade vyšších výkonov, následným problémom je vznikajúci hluk, a hromadenie (tepelne izolujúceho) prachu.

Rozvádzače tepla – heatpipe

Tepelné trubice (heatpipe) slúžia na prenos tepla z miesta, kde je zdroj tepla, ale nevieme tam zabezpečiť dostatočné chladenie, na iné miesto (až do jedného metra), kde sa účinné chladenie zabezpečiť dá. Podobne sa trubice používajú aj na odvod tepla z hermeticky uzatvoreného priestoru, kde sa nedá zabezpečiť prívod vzduchu. "Teplý koniec" trubice je pripevnený na zdroji tepla, a zo "studeného konca" je teplo odvádzané chladičom. Typicky sa tieto chladiče používajú na chladenie CPU v notebookoch.

Tepelná trubica je obvykle v tvare pomerne tenkej, sploštenej rúrky, z čoho je odvodený aj anglický názov heatpipe. Rúrka je uzavretá a je naplnená pracovnou kvapalinou s nízkou teplotou varu. Prirodzený pohyb chladiva od chladeného miesta k chladiču je v týchto chladičoch zabezpečený obvykle gravitačným obehom. Často pritom dochádza aj k fázovým zmenám – vyparovaniu na teplom a kondenzácii na studenom konci trubice.

Kvapalinové chladiče s núteným obehom

Ide znova o prenos tepla z chladeného miesta ku výmenníku, ktorý sám je chladený vzduchom (obvykle hnaným ventilátorom). Tento spôsob chladenia je technicky jeden z najnáročnejších, ale sa ním dajú odviesť extrémne množstvá tepla zo stiesnených priestorov, pričom sa niekedy používa bohato dimenzovaný výmenník s pasívnym prúdením vzduchu, čím sa dá dosiahnuť nízka úroveň hluku (toto je hlavný zdroj popularity "vodného" chladenia u "tuningových" PC).

Chladenie ponorom do obiehajúcej kvapaliny

Extrémnym prípadom kvapalinového chladenia je priame ponorenie chladených súčiastok či zostáv do prúdiacej chladiacej kvapaliny. Zásadná je pritom dokonalá elektrická nevodivosť chladiva, jeho absolútna čistota a zabezpečenie jeho dostatočného pohybu v každom mieste chladeného zariadenia. Je pritom potrebné samozrejme zabezpečiť aj dostatočné chladenie chladiva, a to buď výmenníkom do sekundárneho kvapalinového obehu, alebo vzduchom.

Takýmto spôsobom je možné chladiť aj vysokovýkonné obvody ktoré musia byť z konštrukčných dôvodov umiestnené tesne vedľa seba vo veľkom množstve. Legendárnym je použitie tohoto spôsobu chladenia u niektorých superpočítačov Cray (kde z estetických dôvodov je časť chladiaceho systému vedená viditeľne mimo samotného stroja).

Tepelné čerpadlá

Tieto zariadenia za pomoci dodávanej energie (obvykle elektrickej) dokážu aktívne prenášať teplo z jedného bodu do druhého, a to aj oproti prirodzenému teplotnému spádu. Pri chladení súčiastok sa používajú na lepší odvod tepla z relatívne malej plochy, ako aj na rozptýlenie tepla do prostredia (a to niekedy aj prostredia teplejšieho než chladené prostredie).

V praxi sa používajú sa dva základné princípy tepelných čerpadiel:

kompresorové čerpadlo na základe adiabatickej expanzie predtým stlačeného a ochladeného plynu (chladiva) – princíp "obrátenej chladničky"
polovodičové čerpadlo na základe Peltierovho javu (nižšia účinnosť; ale menšie rozmery, lepšia aplikovateľnosť na polovodiče, bez pohyblivých dielov, nehlučné)

Sekundárnou, i keď zďaleka nie zanedbateľnou aplikáciou tepelného čerpadla (v drvivej väčšine kompresorového) na chladenie elektronických súčiastok a zariadení, je klimatizácia miestností v ktorých sú tieto zariadenia umiestnené.

Príklady konštrukčného riešenia

Vo výpočtovej technike je najväčším zdrojom tepla procesor. K dispozícií je viacero typov chladičov procesora.

Mechanizmus vzniku tepla a metódy jeho obmedzenia

mechanizmus strát v CMOS obvodoch
- straty zvodmi
- spínacie straty
spínacie straty sa zvyšujú spínacou frekvenciou
zvody sa zvyšujú so skracujúcim sa MOS gate
obidve straty sa zvyšujú so zvyšujúcim sa napätím (to však prináša aj rýchlejšie spínanie)