ד”ר אלדד לוי ואפרת קזאן – .CAS ltd
במהלך השנים האחרונות הפכו המערכות האלקטרוניות לצפופות. צפיפות ההספק הנגרמת על ידי רכיבים אלקטרוניים גדלה מאד. ברוב המקרים כבר לא ניתן לקרר כרטיסים ורכיבים אלקטרוניים באמצעות מחליף חום (Heat Sink) או פלטת קירור (Cold plate) בלבד, ועל כן נדרש תכנון תרמי של מערכת הרכיבים-כרטיסים אלקטרונים כבר בשלב התכנון הבסיסי של המערכת.
איור מס' 1: עליית צפיפות ההספק עם השנים במערכות שונות
ציור מס' 2: מבנה כרטיס טיפוסי
ברכיבים עם הספק גבוה כגון מעבדים (CPUs), מעבדי רשת (Network processors) וכו’, רוב החום מתפזר מה-die ישירות למחליף החום. ברכיבים עם הספקים בינונים, אבל עם צפיפות גבוהה, הקירור המשמעותי הינו באמצעות ה- PCB, כיוון שבדרך כלל אין דרך אחרת להוציא את החום מתוך הרכיב.
במאמר זה נראה את החשיבות של התכן התרמי המשולב רכיבים + כרטיסים עוד משלב התכן הקונספטואלי על מנת להשיג קירור אפקטיבי ונכון.
כרטיס אלקטרוני מודפס (PCB) הינו מעצם טבעו חומר אנאיזוטרופי בגלל המבנה השכבתי שלו, שמורכב משכבות של FR4 ומשכבות של נחושת. ה-FR4 או דומיו הינם חומרים עם מקדם דיאלקטרי נמוך, וכן עם מוליכות תרמית נמוכה. שכבות הנחושת הינן עם מוליכות תרמית גבוהה שערכה תלוי בעובי ובכיסוי (אחוז הנחושת יחסית לשטח).
כתוצאה ממבנה זה, מוליכות תרמית של כרטיסים הינה טובה במישור הכרטיס (k=20-50 W/m K) ונמוכה מאד בניצב לכרטיס. (k=0.3-0.35 W/m K) המשמעות התרמית של מבנה זה, שנובע כמובן מהצורך החשמלי, היא ששטף החום בניצב לכרטיס הינו נמוך מאד ונובע מתכונות ה-FR4 בעיקר, ועל כן החום לא יכול להגיע לשכבות המוליכות תרמית מהרכיבים שמותקנים על הכרטיס.
ציור מס' 4: דוגמת כרטיס - טמפרטורת הרכיבים והכרטיס, אשר לרכיב הימני הוספו Via תרמיות בכרטיס
ציור מס' 3 : מוליכות תרמית אקויוולנטית ניצבת של ה-via עבור רכיב בגודל 3 x 8 xמ"מ
נתון נוסף הינו, שחיבור הרכיבים לשכבות ה-Signal דרך ה-ball של הרכיבים ומשם דרך ה-via, לא נותן תרומה לקירור כיוון ששכבות הסיגנל אינן יוצרות שטף חום עקב המוליכות התרמית הנמוכה שלהן. זאת, עקב כך שהן שכבות דלות בשטחי מוליכים לעומת השכבות של המתח Vcc, והאדמה Gnd, שהנן שכבות מלאות ועבות.
מהנאמר לעיל, ברור שמיקום הרכיבים על פני ה-PCB דורש שילוב תיכנון תרמי כבר משלב מיקום הרכיבים הראשוני, על מנת לממש פתרונות קירור שחלקם הינם מרכיבים אינטגרליים בתוך ה-PCB. כמו כן יש לשלב בשלבים אלה את דרישות יצרני הרכיבים לשילוב בין הרכיב לכרטיס על פי התכן התרמי של הרכיב.
הפתרונות שנדרשים הינם:
1. כמות שכבות עוביין ומיקומן- משיקולים תרמיים מבלי לפגוע בשיקולים החשמליים והsignal integrity.
2. כמות ומיקום ה via התרמיות – אלו הם Via שתפקידן הוא להעביר את שטף החום דרך השכבות השונות.
3. כמות וגודל משטחי האדמה סביב הרכיבים.
Via תרמיות, להבדיל מ-via רגילות, הינן מוליכים תרמיים מצד אחד של הכרטיס לצידו השני דרך השכבות של ה-Gnd או של ה-Vcc. בדרך כלל יצאו via כאלו משכבת נחושת מלאה בצידו האחד של הכרטיס עד שכבת נחושת מלאה בצידו השני של הכרטיס. על ידי מוליכים אלו ניתן להגדיל את המוליכות האפקטיבית הניצבת של הכרטיס.
על מנת להדגים את משמעות הקירור על ידי תהליך של הוספת via תרמיות, נציג סימולציה תרמית פשוטה של כרטיס פשוט בגודל עם 14 שכבות (3 Vcc, 3 Gnd, 8 signal, 0.5 Oz) המוליכות האקויוולנטית במישור הכרטיס ובניצב הינה Kx,y = 26 W/m K וKz=0.35 W/m K בהתאמה. כאשר לרכיב שמאלי אין via מתחת לרכיב (תמונה מס’ 4) ולרכיב הימני ישנם 40 via בקוטר של 12 Mil עם ציפי פנימי בעובי של 5 mil .
ניתן לראות בתמונות מס’ 4 בחתך ותמונה מס’ 5 בתלת מימד, שהטמפרטורות האבסולוטיות שלהם הינם 144 מעלות ו-93 מעלות בהתאמה. בתמונה מס’ 6 ניתן לראות את שטף החום הזורם מן הרכיבים לתוך ה-PCB. כפי שניתן לראות, ברכיב הימני הספק החום זורם לתוך via עד החלק התחתון ומשם זורם לתוך הכרטיס. בצד שמאל רואים שההספק לא זורם לתוך הכרטיס ולכן השטף גבוה מהצד העליון ולא מתפזר לתוך הכרטיס.
תופעה פשוטה זאת גורמת להפרש טמפרטורות של כ-50 מעלות בין שני המקרים עבור הדוגמה הספציפית שהוצגה וחושבה. כאשר מוליכות הכרטיס שופרה אף היא על ידי הוספת שתי שכבות נחושת מלאות בעובי של 0.5 Oz כל אחת, שהגדילו את המוליכות האקויוולנטית במישור הכרטיס ל-45W/mK, התקבלה ירידה של כ-10 מעלות נוספות לשני הרכיבים: 143 מעלות ו-184 מעלות בהתאמה.
ציור מס' 5: דוגמת כרטיס - תיאור תלת מימדי של טמפרטורת הרכיבים והכרטיס, אשר לרכיב הימני הוספו Via תרמיות בכרטיס
ציור מס' 6: דוגמת כרטיס - שטף החום מהרכיבים לכרטיס, אשר לרכיב הימני הוספו Via תרמיות בכרטיס
ציור מס' 7: שטף החום דרך ה-via עבור רכיב על כרטיס משוכב.
כפי שניתן לראות גם בדוגמה הבאה של כרטיס עם שכבות מוליכות רבות מצד ה-CS וה- PS שלו, שטף החום זורם דרך ה Via לצד השני של ה-PCB וכך הוא מתפזר דרך השכבות המוליכות. במקרה זה גם ניתן לראות שפיזור החום דרך המוליכים הוא שולי.
מטרת הדוגמאות הפשוטות שהוצגו, היא להראות באופן ברור את השפעת סילוק החום דרך ה-PCB על רכיבים שונים. כמובן שבכרטיסים מלאים, שבהם חלק מן הרכיבים מתקררים על ידי מחליפי חום (Heat Sink) וחלק מתקרר דרך הכרטיס, לחלק מן הרכיבים אין הספק כלל וכו’, מתקבלת תמונה מורכבת יותר ופחות פשטנית. אך מתוך מה שהוצג לעיל, ניתן להבין שהתכן התרמי חייב להיות חלק מתכן הכרטיס על מנת להגיע לסילוק חום אופטימלי ולרכיבים קרים ככל שניתן, זאת כבר משלב התכן הבסיסי.
