Soluciones de gestión térmica de placas integradas

El aumento del procesamiento en los bordes, las mejoras de rendimiento y la miniaturización de las plataformas integradas han provocado un incremento del consumo de energía y de la generación de calor, creando puntos de acceso térmicos. El estrés térmico puede degradar considerablemente el rendimiento de los sistemas embebidos e incluso provocar fallos en todo el sistema. La exposición prolongada a un calor excesivo también reduce la vida útil de los componentes electrónicos.

Comprender las técnicas de gestión térmica es crucial para mantener un dispositivo en condiciones óptimas de funcionamiento. Los avances en la industria electrónica han impulsado la necesidad de tecnologías innovadoras de gestión térmica para mejorar la fiabilidad y el rendimiento de los sistemas. Según Market Research Future, se espera que el mercado mundial de gestión térmica alcance los 20.300 millones de dólares en 2030, con un crecimiento interanual del 8% entre 2022 y 2030.

Los accesorios térmicos son cruciales en diversos productos electrónicos, no sólo en las FPGA, debido al calor generado durante su funcionamiento. Una gestión térmica adecuada es esencial para mantener el rendimiento, la fiabilidad y la longevidad de estos dispositivos. A continuación le explicamos por qué los accesorios térmicos son importantes para una serie de productos:

1) Microprocesadores y CPU:

• Generación de calor: Las CPU, especialmente en las computadoras y Servidores de alto rendimiento, generan un calor significativo debido a las tareas de cómputo intensivo.
• Accesorios térmicos: Los disipadores térmicos, la pasta térmica y los ventiladores de refrigeración son fundamentales para disipar el calor, evitar el estrangulamiento térmico y garantizar un rendimiento estable.

2. Unidades de procesamiento gráfico (GPU):

• Alto consumo de energía: Las GPU, especialmente en juegos, IA y procesamiento de datos, consumen mucha energía y producen una cantidad considerable de calor.
• Gestión térmica: Las soluciones de refrigeración, como disipadores térmicos grandes, ventiladores y, a veces, refrigeración líquida, son necesarias para mantener temperaturas óptimas, evitar el sobrecalentamiento y mantener un alto rendimiento.

3. Fuentes de alimentación (PSU):

• Disipación del calor: Las fuentes de alimentación convierten la CA en CC, lo que implica una pérdida importante de energía en forma de calor.
• Soluciones de refrigeración: La refrigeración activa con ventiladores y la refrigeración pasiva con disipadores son esenciales para mantener la eficiencia y longevidad de las fuentes de alimentación.

4. Módulos de memoria (RAM, DRAM):

• Estabilidad operativa: los módulos de memoria de alta velocidad pueden generar calor, lo que, si no se controla, puede provocar la corrupción de datos o la inestabilidad del sistema.
• Accesorios térmicos: Los difusores térmicos y ventiladores de refrigeración se utilizan para disipar el calor y mantener la integridad y velocidad de los datos.

5. Equipos de red (routers, interruptores):

• Funcionamiento continuo: Los equipos de Red suelen funcionar las 24 horas del día, los 7 días de la semana/ todos los días las 24 horas, lo que provoca una generación continua de calor.
• Requisitos de refrigeración: Disipadores, ventiladores y, a veces, refrigeración ambiental (como el aire acondicionado en las salas de servidores) son necesarios para garantizar un rendimiento constante y evitar fallos.

6. Sistemas empotrados:

• Retos del diseño compacto: Los sistemas integrados suelen funcionar en entornos limitados en los que la disipación del calor es difícil.
• Soluciones térmicas: Disipadores térmicos personalizados, almohadillas térmicas y armarios especializados con refrigeración se utilizan para gestionar el calor en estos sistemas compactos, garantizando la fiabilidad en aplicaciones industriales y de automoción.

7. Dispositivos móviles (teléfonos inteligentes, tabletas):

• Limitaciones térmicas: Los dispositivos móviles son compactos y tienen poco espacio para la refrigeración, pero llevan procesadores de alto rendimiento y baterías que generan calor.
• Refrigeración innovadora: Se utilizan técnicas como el estrangulamiento térmico, difusores térmicos de grafito y materiales avanzados para gestionar el calor sin aumentar el tamaño del dispositivo.

8. Baterías y Almacenamiento de Energía:

• Seguridad y longevidad: Las baterías, especialmente en vehículos eléctricos y sistemas de almacenamiento de alta capacidad, generan calor durante la carga y la descarga.
• Gestión térmica: Los sistemas de refrigeración, incluida la refrigeración líquida, los sistemas de gestión térmica y los materiales resistentes al calor, son vitales para evitar el sobrecalentamiento, que puede reducir la vida útil de la batería o incluso provocar situaciones de peligro.

9. Equipos de telecomunicaciones:

• Carga térmica continua: las estaciones base, las antenas y otros equipos de telecomunicaciones generan calor constante durante su funcionamiento.
• Necesidades de refrigeración: Disipadores, ventiladores y gabinetes climatizados son esenciales para mantener la fiabilidad de los equipos y la disponibilidad del servicio.

10. Sistemas de computación de alto rendimiento (HPC):

• Calor extremo: Los sistemas HPC, utilizados en investigación científica, IA y análisis de Big data, implican clústeres de computación densos que producen un calor significativo.
• Refrigeración avanzada: La refrigeración líquida, la refrigeración por inmersión y los sofisticados sistemas de refrigeración por aire son fundamentales para gestionar el calor y garantizar un funcionamiento ininterrumpido a alta velocidad.

Los accesorios térmicos son indispensables en un amplio rango de/una amplia gama de productos electrónicos, no sólo FPGAs. Desempeñan un papel fundamental a la hora de disipar el calor, evitar el sobrecalentamiento y garantizar el funcionamiento fiable y eficiente de los dispositivos. Sin una gestión térmica adecuada, los productos electrónicos pueden sufrir una reducción del rendimiento, inestabilidad y fallos potencialmente catastróficos. La elección de las soluciones térmicas depende de los requisitos específicos del producto, incluidos su consumo de energía, tamaño y entorno operativo.

Técnicas habituales de disipación del calor en soluciones integradas

Las técnicas de disipación del calor son más cruciales que nunca, ya que los sistemas son cada vez más pequeños y potentes. Los diseñadores pueden utilizar varios métodos para eliminar el calor de los componentes y las placas de circuito impreso, con mecanismos comunes que incluyen:

Disipadores térmicos y ventiladores de refrigeración - Los disipadores térmicos son piezas metálicas de gran superficie y conductividad térmica que actúan como intercambiadores de calor pasivos, disipando el calor al aire circundante por conducción. Añadir ventiladores a los disipadores ayuda a eliminar el calor de forma más rápida y eficaz. Esta combinación es uno de los métodos más comunes y eficaces para refrigerar sistemas integrados, especialmente en entornos con un flujo de aire limitado.

Figura 1: Este disipador térmico con ventilador ayuda a disipar el calor de los componentes en los que está montado. (Fuente de la imagen: iWave)

Integración de caloductos - Los caloductos son dispositivos de refrigeración utilizados en aplicaciones de alta temperatura. Un tubo de calor típico consiste en un fluido que absorbe calor, se vaporiza y se desplaza a lo largo del tubo. En el extremo del condensador, el vapor vuelve a convertirse en líquido y el ciclo se repite. Los caloductos son muy eficientes y pueden transferir calor a grandes distancias, lo que los hace ideales para dispositivos electrónicos compactos y de alta densidad.

Difusores térmicos integrados - Los difusores térmicos tienen una gran superficie plana que normalmente se presiona directamente contra otra gran superficie plana. Permiten la Transferencia térmica de un componente más pequeño a una superficie metálica mayor. Los difusores térmicos integrados son ideales para dispositivos que deben soportar golpes y vibraciones extremas o que se alojan en el interior de receptáculos sellados. Proporcionan una solución robusta para gestionar el calor en sistemas integrados robustos y sellados.

Refrigeradores termoeléctricos (TEC) - Los refrigeradores termoeléctricos son ideales para sistemas en los que la temperatura de los componentes debe mantenerse constante. Los procesadores de alta disipación de potencia suelen utilizar una combinación de TEC, refrigeración por aire y refrigeración líquida para superar los límites de la refrigeración por aire convencional. Los TEC pueden enfriar componentes a temperaturas inferiores a la ambiente, lo que permite un control preciso de la temperatura.

Vías térmicas: se incorporan matrices de vías térmicas sobre zonas rellenas de cobre y se colocan cerca de las fuentes de alimentación. En este método, el calor fluye de los componentes a la zona de cobre y se disipa a través del aire de las vías. Las vías térmicas se utilizan a menudo en módulos de gestión de potencia y componentes con almohadillas térmicas, mejorando la conductividad térmica de la placa de circuito impreso.

Sistemas de refrigeración líquida - Los líquidos pueden transferir el calor cuatro veces más rápido que el aire, lo que permite un mayor rendimiento térmico en soluciones más pequeñas. Un sistema de refrigeración líquida incluye una placa fría o un gabinete refrigerado para interactuar con la fuente de calor, una bomba o compresor para hacer circular el líquido y un intercambiador de calor para absorber y disipar el calor de forma segura. La refrigeración líquida es especialmente eficaz para aplicaciones de alta potencia y conjuntos electrónicos densamente empaquetados.

Soluciones térmicas de iWave

El experto equipo de ingenieros mecánicos de iWave diseña disipadores, disipadores de ventiladores y gabinetes adaptados a las características térmicas específicas de sus productos. Utilizan software de simulación térmica para ayudar a los ingenieros a determinar los métodos de refrigeración más adecuados y comprender los parámetros térmicos asociados, mejorando en última instancia la fiabilidad general del producto.

Análisis del patrón de flujo térmico

Con herramientas como Ansys Icepak, los ingenieros de iWave pueden simular patrones de flujo térmico dentro de un dispositivo. Este análisis ayuda a identificar los puntos de acceso térmicos y a optimizar la colocación de los componentes de refrigeración. Al comprender cómo se desplaza el calor por un sistema, los ingenieros pueden diseñar soluciones de gestión térmica más eficaces.

Diseño personalizado del disipador térmico

iWave diseña disipadores a medida para adaptarse a las necesidades únicas de cada proyecto. El proceso de diseño consiste en calcular los valores teóricos de disipación de calor en función de la superficie y las propiedades de los materiales. A continuación, los ingenieros prueban estos diseños con programas de simulación para asegurarse de que proporcionan la refrigeración adecuada en distintas condiciones de funcionamiento.

Métodos de refrigeración para dispositivos activos

Los métodos de refrigeración activa, como la integración de TEC y ventiladores de refrigeración, también se tienen en cuenta durante la fase de diseño. iWave evalúa las ventajas y limitaciones de cada método, seleccionando la solución más eficiente y rentable para cada aplicación.

Soluciones térmicas para todos los factores de forma

iWave ofrece soluciones térmicas para todos los factores de forma, incluidos OSM, SMARC, Qseven y SODIMM. Estas soluciones utilizan la aleación de aluminio AL6063 debido a sus excelentes propiedades como material. El aluminio es un excelente conductor, no tóxico, reciclable y muy duradero, por lo que resulta ideal para transferir el calor de los componentes.

Gracias a las soluciones térmicas internas, los diseñadores de productos pueden reducir los costes de implantación eliminando los retrasos de ingeniería, los fallos sobre el terreno y las iteraciones de productos. Reducir la cantidad de calor disipado por el dispositivo mejora la eficiencia y la fiabilidad, garantizando la longevidad del producto.

Conclusión:

La creciente complejidad y densidad de potencia de los sistemas integrados hacen necesarias técnicas avanzadas de gestión térmica. Empleando diversos métodos de disipación térmica, desde disipadores y ventiladores hasta sistemas de refrigeración líquida y vías térmicas, los diseñadores pueden garantizar un rendimiento y una fiabilidad óptimos de sus dispositivos. Empresas como iWave proporcionan soluciones térmicas especializadas adaptadas a las necesidades específicas de sus productos, aprovechando herramientas de simulación avanzadas y diseños personalizados para hacer frente a los retos de la electrónica moderna.

Para obtener más información sobre la experiencia en soluciones térmicas de iWave, póngase en contacto con ellos directamente.