THERMAL DESIGN COURSE

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1 Resp. del contenuto - Subject esponsible Resp. del documento/appovato - Doc.espons./Appoved Contollato - Checked 1(22) THERMAL DESIGN COURSE Table of contents 1 INTRODUZIONE Genealità Peché è necessaio intodue l analisi temica? Tasmissione del caloe negli appaati pe telecomunicazione Definizioni di tempeatua Velocità dell aia Requisiti Metodi utilizzabili nel pogetto temico Coefficiente di tasmissione del caloe Cooling efficiency Themal efficiency MODELLO DEI COMPONENTI Tipi di modelli Modelli fisici Modelli logici Modello a un paamento Modello a due paamenti Modello a te paameti COOLING EFFICIENCY CONCEPT Intoduzione Definizione Stima della potenza dissipata da una PBA Valoi della cooling efficiency THERMAL TERRITORY METHOD Intoduzione Il metodo della Themal teitoy Themal efficiency pe la themal teitoy I paameti del teitoio temico I limiti di validitá del metodo Eicsson Telecomunicazioni SpA

2 Resp. del contenuto - Subject esponsible Resp. del documento/appovato - Doc.espons./Appoved Contollato - Checked 2(22) 5 AIR EFFICIENCY CONCEPT Intoduzione Definizione dell Ai efficiency Consideazioni sull Ai efficiency CABINETS Intoduzione Coefficiente di tasmissione del caloe Convezione natuale nei cabinet Stima di tempeatua in Seial cooling HEAT SINK Intoduzione Tipi di dissipatoe Ottimizzazione del dissipatoe Convezione natuale Scelta del tipo di package Resistenza temica di contatto Eicsson Telecomunicazioni SpA

3 Resp. del contenuto - Subject esponsible Resp. del documento/appovato - Doc.espons./Appoved Contollato - Checked 3(22) 1 INTRODUZIONE 1.1 Genealità L obbiettivo del pesente coso è duplice: intodue i concetti base sulla tasmissione del caloe, specializzandoli al caso di appaato pe telecomunicazioni (Telecom Equipment); spiegae come alcuni tools sviluppati in ERICSSON (BTEMP4, BLOAD) pemettano di analizzae e miglioae il compotamento temico di una unità. 1.2 Peché è necessaio intodue l analisi temica? I motivi sono molteplici e di seguito elencati. I equisiti impongono che gli appaati pe telecomunicazioni debbano funzionae anche in condizioni esteme (safe function e non distuction). Peciò occoe veificae in queste condizioni che le tempeatue dei componenti siano al di sotto di ceti limiti. Le tempeatue di esecizio (nomal opeation) dei componenti e degli appaati hanno un gosso impatto sia sul tempo di vita medio (life time) che sulla pobabilità di guasto (failue intensity) nel peiodo di vita utile del componente o appaato: quindi pe mantenee elevata l affidabilità del sistema occoe mantenee basse le tempeatue dei componenti. La tecnologia ASIC pemette di avee un numeo sempe maggioe di funzionalità in spazi sempe più idotti: se da un lato ciò pemette di pogettae appaati sempe più compatti, dall alto la densità di potenza (W/m 2 ) da smaltie diventa sempe maggioe e mette a dua pova i metodi di smaltimento del caloe più semplice ed economici basati sulla convezione natuale. Pe questo motivo l analisi temica sta acquistando sempe più impotanza nella pogettazione di appaati elettonici. 1.3 Tasmissione del caloe negli appaati pe telecomunicazione Come è noto la tasmissione del caloe può avvenie solo in te modi: Eicsson Telecomunicazioni SpA

4 Resp. del contenuto - Subject esponsible Resp. del documento/appovato - Doc.espons./Appoved Contollato - Checked 4(22) Conduzione (conducibilità temica, analogia elettica); Convezione (fomula di Newton); Iaggiamento (dipendenza da diffeenza di tempeatua); Il caso tipico degli appaati pe telecomunicazioni è quello in cui una seie di unità affiancate sono poste all inteno di un cestello in posizione veticale a distanze egolai l una delle alta. Il affeddamento avviene mediante uno scambio temico con un flusso d aia entante dalla bocca infeioe (inlet vent) ed uscente dalla bocca supeioe (output vent). Si pala impopiamente di convezione natuale o fozata (in caso siano pesenti delle ventole che impongono meccanicamente all aia il pecoso e la velocità): in ealtà tutti e te i fenomeni di tasmissione del caloe sono pesenti. In paticolae in passato si è sempe tascuata la conduzione, che invece, come è stato dimostato, fonisce un contibuto molto impotante, specie quando si utilizzano piaste multistato (elevata conducibilità temica). In geneale il poblema temico esposto può essee suddiviso nei seguenti sottopoblemi: distibuzione del caloe all inteno della unità (funzione delle sogenti e della conducibilità temica della piasta); deteminazione della velocità e tempeatua dell aia nel tubo di flusso costituito dalle due piaste; scambio temico ta le due piaste adiacenti e l aia che le attavesa; scambio temico ta singoli componenti e l aia; conduzione del caloe all inteno dei componenti pe la deteminazione della tempeatua di chip (scelta del modello del componente). È necessaio ossevae come attualmente, nonostante esistano pogammi molto sofisticati, che pemettono di effettuae contempoaneamente analisi sia fluidodinamica che temica, nessuno è in gado di copie tutti gli aspetti citati contempoaneamente. 1.4 Definizioni di tempeatua Una tempeatua deve sempe fae ifeimento ad una pecisa posizione ed ad un limite da ispettae. Inolte tutte le definizioni di tempeatua dovebbeo essee di facile intepetazione, calcolabili e misuabili. Ambient ai tempeatue: è la tempeatua media dell aia che si tova popio sopa il componente. Pu essendo una delle definizioni più comunemente usata, è di difficilissima intepetazione. Eicsson Telecomunicazioni SpA

5 Resp. del contenuto - Subject esponsible Resp. del documento/appovato - Doc.espons./Appoved Contollato - Checked 5(22) Room tempeatue (Toom): è la tempeatua media dell aia nella stanza in cui è posizionato l appaato: coincide con la tempeatua dell aia entante nell amadio. Ai inlet tempeatue: è la tempeatue media dell aia entante nel cestello che contiene le unità. In dipendenza della stuttua dell appaato, essa può essee maggioe di Toom. Ai outlet tempeatue: è la tempeatua media dell aia uscente dall appaato. PCB tempeatue: è la tempeatua in un punto abitaio sulla PCB. Chip tempeatue: è la tempeatua media del chip. È la tempeatua più impotante, dato che le stime di affidabilità dei componenti sono basate su di essa. La definizione è volutamente vaga, in quanto è possibile avee vaiazioni sostanziali da punto a punto nel chip. Junction tempeatue (Tj): è la tempeatua in un punto specifico del chip. Case tempeatue: è la tempeatua del punto dello chassis coispondente al cento del chip. Tale definizione è necessaia quando si usano i dissipatoi. Pin tempeatue (Tp): è la media lineae della tempeatua dei pin del componente, misuata nel punto in cui essi incontano la PCB. Tale definizione è utile pe i seguenti motivi. La Tp è facilmente misuabile, al contaio di Tj. La Tp è legata a Tj. Quindi tamite Tp è possibile sia stimae Tj che impoe indiettamente dei limiti su Tj (Es. ýtp< 25 --> ýtj<50 ). Pemette di contollae la tempeatua sulla piasta. È l unico paameto che pemette di contollae le condizioni di funzionamento di componenti disceti quali esistenze, induttanze e capacità. 1.5 Velocità dell aia Poiché il pofilo della velocità dell aia non è costante, ma vaia da punto a punto, non è facile tovae una definizione univesale di questo paameto: in letteatua Eicsson Telecomunicazioni SpA

6 Resp. del contenuto - Subject esponsible Resp. del documento/appovato - Doc.espons./Appoved Contollato - Checked 6(22) ne esistono molteplici. Noi useemo la seguente: velocità media dell aia nel canale costituito da due piani paalleli (le due unità) in assenza di componenti. Si noti che la pesenza dei componenti può alteae la velocità in modulo e diezione. 1.6 Requisiti I equisiti definiti in Eicsson sono te: Failue intensity (Toom=25 ) Life time (Toom=35 ) Safe function (Toom=50 ) I te equisiti hanno in comune due aspetti: tutti e te definiscono limiti sia pe Tp e che pe Tj; le vaiazioni massime definite dai equisiti pe Tp e Tj ispetto alla Toom sono della stessa entitá. ýtp = Tp-Toom = 25 C ýtj = Tj-Toom = 50 C Ciò che cambia nei te casi è la Toom. Recentemente sono stati definiti degli extended equiements che pemettono di consideae ýtp=35 C invece di 25 C. 1.7 Metodi utilizzabili nel pogetto temico I metodi ed i tools pe il pogetto temico si possono suddividee in due classi: Font End Tools/Methods: Teitoy suface; cooling efficiency; analisi temica di unità; effettuata con metodi dell analisi numeica (BLOAD, CLOAD, BTEMP4); Back End Tools/Methods: analisi temica di unità, effettuata con metodi dell analisi numeica (BTEMP4); misue sugli appaati. Anche se molto più semplici e apidi, i metodi di Font End diventano compensibili solo dopo ave acquisito familiaità con i metodi di Back End ed alcuni concetti quali la cooling efficiency. Eicsson Telecomunicazioni SpA

7 Resp. del contenuto - Subject esponsible Resp. del documento/appovato - Doc.espons./Appoved Contollato - Checked 7(22) Due sono i pincipali metodi di analisi numeica utilizzati pe l analisi temica delle unità: Metodo delle diffeenze finite: la supeficie è divisa in ettangoli; Metodo degli elementi finiti: la giglia non è stettamente ettangolae, ma si adatta alla foma dei componenti. 1.8 Coefficiente di tasmissione del caloe La definizione del coefficiente di tasmissione del caloe (α) si basa sulla fomula di Newton. P =α*a* T Si considea una PCB di supeficie A che dissipa P Watt che si tova ad una tempeatua costante supeioe di T a quella dell aia alla bocca di ingesso. 1.9 Cooling efficiency Si confonta la potenza dissipata dalla piasta in esame con quella del caso ideale: piasta a tempeatua costante (conducibilità infinita) pai alla Tmax del caso eale. Cooling Efficiency = Peal/Pideal Tale paameto consente di stimae la bontà del pogetto temico. Si può consideae un veo e popio indice di qualità Themal efficiency Si definisce come il appoto ta la Tmedia e la Tmax di una PCB. Themal efficiency = Tmedia/ Tmax Espime un concetto simile a quello della cooling efficiency ed é usato pe deteminae la themal teitoy dei componenti. Eicsson Telecomunicazioni SpA

8 Resp. del contenuto - Subject esponsible Resp. del documento/appovato - Doc.espons./Appoved Contollato - Checked 8(22) 2 MODELLO DEI COMPONENTI 2.1 Tipi di modelli Molti sono i modelli che sono stati poposti pe i componenti. I due equisiti più desideati pe i modelli temici sono semplicità e genealità. Tali equisiti sono contaddittoi. Ogni modello è costituito da un numeo di esistenze temiche e da una lista di specifiche che deteminano i valoi che tali esistenze assumono al vaiae delle condizioni al contono. I modelli più sofisticati hanno specifiche idotte, ma sono composti da eti di esistenze toppo complesse pe consentine l utilizzo in un pogamma di analisi numeica o comunque ichiedono notevole potenza di calcolo (tempo di simulazione). I modelli più semplici sono di facile utilizzo, ma i valoi delle esistenze temiche hanno un campo di validità istetto (lunga lista di specifiche). Un alto aspetto impotante nella scelta del modello da utilizzae é la possibilità di calcolae o misuae i suoi paameti. 2.2 Modelli fisici Sono i modelli che appesentano fedelmente la stuttua del package e i elativi pecosi del caloe al suo inteno. In genee tali modelli isultano di difficile utilizzo patico. Sono utili pe lo studio del compotamento temico del componente isolato e peché il suo studio può pemette di estae un più semplice modello logico. 2.3 Modelli logici Sono modelli matematici che, pemettono di appesentae la dipendenza temica ta le diffeenti pati del package, pescindendo dai eali pecosi temici inteni. In tal caso il package può essee consideato una scatola nea e studiato con la seguente equazione lineae (equazione caatteistica). Tj = K1*Pg + K2*Tp + K3*Ta Tale equazione può facilmente iscivesi nel seguente modo: Eicsson Telecomunicazioni SpA

9 Resp. del contenuto - Subject esponsible Resp. del documento/appovato - Doc.espons./Appoved Contollato - Checked 9(22) Tj = Rs * Pg + S * Tp Rs ed S sono paameti logici: mente Rs ha le dimensioni di una esistenza temica ( C/W), S è adimensionata ed il suo valoe è compeso ta 0 ed 1. Sia Rs che S sono funzioni del tipo di convezione (velocità dell aia). 2.4 Modello a un paamento É il modello logico più semplice e comunemente usato. Il solo paamento Rja lo caatteizza. Tale paameto é funzione di molti alti paameti: della velocità dell aia, della conducibilità della unità nella quale é utilizzato, etc (lunga lista di specifiche). Le specifiche sono paticolamente appesantite dall assenza di un pecoso temico giunzione - pin. 2.5 Modello a due paamenti Questo modello, pu essendo miglioe del pecedente, non é adatto ad essee usato in un pogamma di analisi numeica, in quanto le due esistenze temiche (Rja ed Rjp) sono entambe dipendenti dalla velocità dell aia. Rjp = Rs/S Rja = Rs/(1-S) 2.6 Modello a te paameti Raffinando il modello e quindi aumentando il numeo di esistenze temiche necessaie alla sua caatteizzazione é possibile eliminae o indebolie la dipendenza dalla velocità dell aia pe alcune. In paticolae, il modello a te paameti pesenta una esistenza temica estena (Rca) fotemente dipendente dal tipo di convezione; ma le alte due esistenze intene (Rjc ed Rcp) pesentano una dipendenza così debole da pote essee consideate costanti in un intevallo di velocità molto ampio. Rs = Rcp//Rja + Rjc S = Rja/(Rja+Rcp) Eicsson Telecomunicazioni SpA

10 Resp. del contenuto - Subject esponsible Resp. del documento/appovato - Doc.espons./Appoved Contollato - Checked 10(22) 3 COOLING EFFICIENCY CONCEPT 3.1 Intoduzione Nelle fasi peliminai del pocesso di pogettazione di PBA, ma anche duante gli studi di fattibilitá, é spesso necessaio avee delle stime di tempeatua basati su dati ancoa molto inceti e talvolta futto di congettue. In tal caso metodi apidi ed appossimativi (FRONT END) offono notevoli vantaggi ispetto a quelli complessi ed accuati (BACK END). Gazie al concetto della cooling efficiency é possibile stimae la massima tempeatua di una PBA analizzando il caso ideale isotemico e confontandolo con il caso eale. 3.2 Definizione La definizione si basa sul caso ideale costituito da due piatti paalleli ed isotemici di ifeimento aventi le seguenti popietà. I piatti hanno la stessa dimensione e spessoe delle PBA. I piatti sono isotemici e la tempeatua é uguale alla massima tempeatue della PBA eale. La distanza ta i piatti ideali é uguale a quella del caso eale ta la PBA in esame e le PBA vicine. Il flusso d aia nel canale ta i piatti ideali é lo stesso che si ha nel caso eale. Non ci sono ostacoli nel canale ta i due piatti. Il caloe non viene tasmesso pe iaggiamento. In queste condizioni la cooling efficiency é definita come il appoto ta le potenze dissipate nel caso eale ed ideale ispettivamente. ηc = Peal / Pideal La cooling efficiency, quindi, misua quanto il pogetto temico della PBA sia vicino al caso ottimo ideale. É peciò inolte un indice di qualità del pogetto. Eicsson Telecomunicazioni SpA

11 Resp. del contenuto - Subject esponsible Resp. del documento/appovato - Doc.espons./Appoved Contollato - Checked 11(22) 3.3 Stima della potenza dissipata da una PBA Il concetto della cooling efficiency può essee usato pe stimae la potenza dissipabile in una PBA in funzione della massima tempeatua e vicevesa, usando il seguente semplice pocedimento. Si pate dalla fomula di Newton applicata al caso ideale: Pideal =α*a * Tideal dove: Pideal = Potenza dissipata nel caso ideale [W] α = coefficiente di tasmissione del caloe [W/m 2 C] A = aea del piatto o PBA [m 2 ] Tideal = tempeatua del piatto ispetto alla tempeatua ambiente [ C] In base alla definizione la tempeatua del caso ideale é uguale alla tempeatua massima del caso eale, peciò si può scivee: Peal =ηc *α*a * Tmax dove: Tmax = massima tempeatua elativa sulla PBA [ C]. Si noti che l equazione ottenuta è teoicamente coetta: nessuna appossimazione é stata necessaia pe ottenela. La pecisione dei isultati che si ottengono applicandola dipendono peciò solo dall accuatezza dei valoi di ingesso. 3.4 Valoi della cooling efficiency La cooling efficiency pe una paticolae PBA può essee sia calcolata che misuata. Essa dipende da numeosi paameti: conducibilità temica della piasta, velocità dell aia, piazzamento dei componenti sulla piasta, et cetea. In genee, pe piaste multistato, i valoi che si ottengono sono compesi nell intevallo 50-85%. Valoi infeioi possono essee ottenuti usando piaste con poche sogenti di caloe concentate. Usando piaste con una appopiata dislocazione delle sogenti e dotate di qualunque foma di estensione della supeficie (pe esempio dissipatoi) si possono ottenee valoi possimi o addiittua supeioi al 100%. Ciò é possibile in quanto le estensioni di supeficie della PBA eale non sono pesenti nel modello ideale. Quando ciò si veifica la potenza nel caso Eicsson Telecomunicazioni SpA

12 Resp. del contenuto - Subject esponsible Resp. del documento/appovato - Doc.espons./Appoved Contollato - Checked 12(22) eale può essee supeioe a quella pevista nel caso ideale a paità di massima tempeatua. 3.5 Cosideazioni sulla fomula di Newton L equazione ottenuta nella section 3.3 e di seguito ipotata pemette di valutae quanto sia vantaggioso ottenee valoi elevati pe la cooling efficiency. Peal =ηc *α*a * Tmax La potenza infatti aumenta lineamente con ηc. Ció peó é veo in convezione fozata: quando si utilizza la convezione natuale, poiché α diventa funzione di T, la pecedente fomula si scive come segue: Peal = Const * A * (ηc * Tmax ) 1+N con N > 0.25 Ció dimosta come in convezione natuale sia ancoa piú vantaggioso aumentae la cooling efficiency. Eicsson Telecomunicazioni SpA

13 Resp. del contenuto - Subject esponsible Resp. del documento/appovato - Doc.espons./Appoved Contollato - Checked 13(22) 4 THERMAL TERRITORY METHOD 4.1 Intoduzione Le modene unità multistato, gazie all alto tasso di ame che contengono, sono dotate di conducibilità temica non tascuabile e fungono da aletta di affeddamento. Sfuttando il concetto della efficienza temica é possibile definie pe ogni sogente di caloe sulla piasta la pozione di supeficie necessaia a affeddalo (themal teitoy). Basandosi sul concetto esposto il metodo della themal teitoy si pefigge di fonie una analisi temica semplificata e apida olte che una guida al pogetto temico. 4.2 Il metodo della Themal teitoy Il metodo si basa su un modello semplificato che non é in gado di fonie isultati molto pecisi: la sogente di caloe viene consideata essee un oggetto piatto appoggiato sulla PCB. Tale semplificazione é valida finché la teitoy suface é molto piú estesa della supeficie occupata dalla sogente. La teitoy suface puó essee calcolata sia analiticamente che numeicamente. Quest ultimo metodo é in genee piú semplice e veá di seguito illustato, consideando di avee una sogente di caloe cicolae. In tal caso il piatto é diviso in un gan numeo di elementi cicolai, concentici alla sogente. La supeficie intena alla sogente si assume isotemica. I dati di ingesso necessai sono: la dimensione e la potenza della sogente, la conduttivitá temica della PCB e la diffeenza di tempeatue accettabile ed il tipo di convezione. Il pimo passo consiste nel calcolo della potenza dissipata nella sogente stessa: tale valoe viene sottatto alla potenza totale. Quindi si assume che il caloe imante peneti nel piatto attavesando i vai elementi cicolai. Ciascuno di essi dissipa una piccola fazione di potenza e tasmette la imanente all elemento adiacente: ció detemina, a mano a mano che ci si allontana dalla sogente, una pogessiva iduzione della tempeatua degli elementi e della potenza da dissipae. Alla fine, quando si aggiungeá un punto in cui non c é piú potenza da dissipae, quelo saá il confine della teitoy suface della sogente. Eicsson Telecomunicazioni SpA

14 Resp. del contenuto - Subject esponsible Resp. del documento/appovato - Doc.espons./Appoved Contollato - Checked 14(22) 4.3 Themal efficiency pe la themal teitoy Da quanto descitto si deduce che gli elementi cicolai della teitoy suface lontani dalla sogente, avendo una tempeatua infeioe, danno un minoe contibuto al affeddamento. Quindi un modo semplice di aumentae l efficienza dalla teitoy suface è quello di aumentae la Themal efficiency della PCB (ossia la sua conducibilitá temica). Si puó definie la Themal efficiency pe il themal teitoy come appoto ta tempeatua media e massima nel teitoio. Tale paameto é l indice di efficienza del teitoio temico. Nel caso limite teoico (themal efficency = 100%), il themal teitoy saebbe isotemico. 4.4 I paameti del teitoio temico La themal teitoy é funzione dei seguenti paameti: potenza dissipata; dimensione del package; velocitá dell aia; conducibilità temica della PCB. Nessuno di questi paameti é dominante: tutti possono influie notevolmente sul isultato. La teitoy suface é una funzione quasi lineae del caloe dissipato, finché il caico di potenza si mantiene elativamente basso; aumenta indisciminatamente tendendo ad infinito pe caichi di potenza elativamente alti. A paita di teitoy suface, package di gandi dimensioni possono dissipae molto piú caloe di quelli piú piccoli. Ció é dovuto a due agioni: il caloe dissipato all inteno del package gande è maggioe ed il caloe che fluisce fuoi dal package da luogo ad infeioe diminuzione di tempeatua. La teitoy suface diminuisce al cescee della velocitá dell aia. Tale fenomeno è meno ponunciato in convezione fozata a causa degli effetti accumulati di tutte le non lineaitá del poblema. Il teitoio temico diminuisce al cescee della conducibilitá della PCB. La conducibilitá delle PCB é funzione della quantitá di ame pesente. La tabella che segue fonisce i valoi di conducibilitá temica pe le PCB, basati sull assunzione che la quantitá di ame nei laye di segnale e di goung/voltage sono 20% e 80% ispettivamente. Eicsson Telecomunicazioni SpA

15 Resp. del contenuto - Subject esponsible Resp. del documento/appovato - Doc.espons./Appoved Contollato - Checked 15(22) table 1 Type Signal Layes [µm] Gound Layes [µm] Coppe volume [%] Themal Conductivity [W/m C] FR laye 2* laye 2*35 2* laye 2*35 2* I limiti di validitá del metodo Il metodo descitto pesenta le seguenti limitazioni: Non tiene conto degli effetti che la conduzione del caloe ta i teitoi temici dei componenti pesenti sulla PCB in esame. Quindi solo se i teitoi temici confinanti pesentano la stessa tempeatua sul bodo i isultati ottenuti sono pecisi. Il teitoio temico é indipendente dalla posizione della sogente sulla piasta, non si considea l incemento di tempeatua subito dall aia nell attavesae una PCB in cui sono pesenti delle sogenti di caloe. Eicsson Telecomunicazioni SpA

16 Resp. del contenuto - Subject esponsible Resp. del documento/appovato - Doc.espons./Appoved Contollato - Checked 16(22) 5 AIR EFFICIENCY CONCEPT 5.1 Intoduzione Il concetto dell ai efficiency é utilizzato pe confontae i equisiti elativi al flusso dell aia pe vai tipi di affeddamento. L ai efficiency fonisce una misua elativa a quanto efficientemente é usata l aia pe il affeddamento. Tale concetto può applicasi tanto alle PBA, quanto a cestelli ed amadi. Quando le velocità dell aia sono basse, come in convezione natuale, l efficienza é elativamente alta >50%. Al cescee della velocità dell aia, se non vengono intodotti paticolai accogimenti, l efficienza può diminuie fino al 15%. Nel caso di singole PBA l ai efficiency può essee miglioata aumentando la cooling efficiency (intoducendo estensioni di supeficie). 5.2 Definizione dell Ai efficiency Tale paameto si ottiene dal appoto ta la massima tempeatua dell aia che attavesa il canale fomato dalle PCBs e della massima tempeatua della PCB. Ai efficiency = Tai/ Tmax Il valoe ottenuto in questo modo appesenta un indice dello sfuttamento del fenomeno della convezione nel affeddamento della PCB (tasso di caloe scambiata con l aia dalla PCB). Uno dei modi più semplici pe calcolae questo paameto si basa sulla cooling efficiency, gazie alla quale si può calcolae la tempeatue massima sulla PBA. Tmax = P / (ηc *α*a ) L incemento di tempeatua dell aia può calcolasi sfuttando la seguente legge dell enegia. Tai = P / (m * Cp) Dove: Eicsson Telecomunicazioni SpA

17 Resp. del contenuto - Subject esponsible Resp. del documento/appovato - Doc.espons./Appoved Contollato - Checked 17(22) Tai = incemento di tempeatua dell aia [ C]; P = potenza dissipata nel volume attavesato dall aia [W]; m = Flusso di massa d aia [Kg/s] Cp = Caloe specifico dell aia [J/Kg C] = 1005 [J/Kg C] La massa dell aia si può ottenee facilmente conoscendone la densità: δ = [Kg/m 3 ] Con queste pemesse l efficienza dell aia può scivesi come segue. ηa =ηc *α*a /( m * Cp ) Si noti che l Ai efficiency é minoe o uguale alla cooling efficiency. 5.3 Consideazioni sull Ai efficiency Il concetto dell ai efficiency può essee applicato indiffeentemente ad una singola PBA, ad un cestello o addiittua ad un amadio. L Ai efficiency dipende da molti fattoi: La velocità dell aia: al cescee della velocità dell aia ηa tende a diminuie poiché il denominatoe cesce lineamente, mente il numeatoe cesce più lentamente. La cooling efficiency: ηa é diettamente popozionale ad ηc. Il pitch ta le PBA: al cescee del pitch ηa diminuisce. L uso della convezione fozata è conveniente solo quando il pitch è elativamente piccolo. Eicsson Telecomunicazioni SpA

18 Resp. del contenuto - Subject esponsible Resp. del documento/appovato - Doc.espons./Appoved Contollato - Checked 18(22) 6 CABINETS 6.1 Intoduzione I metodi di affeddamento utilizzati nei cabinets sono i seguenti quatto: Natual convection - Paallel cooling; Natual convection - Seial cooling; Foced convection - Paallel cooling; Foced convection - Seial cooling. La convezione natuale è il pincipio piú conveniente e maggiomente usato, in quanto pemette di evitae poblemi del umoe, del consumo di potenza, della polvee e della manutenzione (in caso di guasto di una ventola, l intevento dell opeatoe deve essee tempestivo, al fine di evitae danni all appaato). Quando la potenza supea un ceto limite la convezione fozata diventa una scelta obbligata. Il paallel cooling è in linea di pincipio da pefeie pe due pincipali motivi: ende il affeddamento delle mensole indipendente dalla posizione nel cabinet (le bocche di ingesso sono tutte alimentate con aia avente tempeatue pai a Toom); isola ciascuna mensola dalle alte: un eventuale incendio imane localizzato. 6.2 Coefficiente di tasmissione del caloe La seguente tabella fonisce i valoi tipici di α [W/ C m 2 ] nelle vaie equipment pactice. table 2 heat tanfe coefficient aangement α T-BYB natual convection 2.5 BYB natual convection 3 Eicsson Telecomunicazioni SpA

19 Resp. del contenuto - Subject esponsible Resp. del documento/appovato - Doc.espons./Appoved Contollato - Checked 19(22) table 2 heat tanfe coefficient aangement Si noti come l iaggiamento dia un notevole contibuto al coefficiente di tasmissione del caloe. α fee suback - natual convection 4.5 fee unit - natual convection 10.5 unit foced cooled V=0.5 m/s 7 unit foced cooled V=1.0 m/s 11 unit foced cooled V=1.5 m/s Convezione natuale nei cabinet La fomula di Newton in convezione natuale si modifica a causa della dipendenza di α dalla tempeatua: P =α*a * T α = const * T N con N > 0.25 (espeienza) cosí si ottiene: P = const * A * T 1+N L ultima elazione ottenuta mosta quanto sia vantaggioso iuscie ad aumentae la cooling efficiency in convezione natuale, poichè la potenza (P) é una funzione non lineae di ηc e T. Tale elazione può anche scivesi come segue: α = C * P M dove M= N/(N+1) Basta tovae C ed M (cabinet cooling paamete) pe caatteizzae il fenomeno della natual convection in un equipment pactice. Tale fomula, inolte, evidenzia la dipendenza di α (e quindi della velocitá dell aia) dalla potenza dissipata in convezione natuale. Eicsson Telecomunicazioni SpA

20 Resp. del contenuto - Subject esponsible Resp. del documento/appovato - Doc.espons./Appoved Contollato - Checked 20(22) 6.4 Stima di tempeatua in Seial cooling Consideiamo di avee due cestelli equipaggiati con le stesse unitá, poste in seie e quindi affeddate dallo stesso flusso d aia: la velocitá dell aia é peció uguale in entambi. Divesa é peó la tempeatua dell aia alle bocche di ingesso dei due cestelli: in paticolae quello posizionata piú in alto iceveá aia a tempeatua piú evevata. Tale innalzamento si può calcolae con la seguente: Tai = Tai1 - Tai0 = P / (m * Cp) Una volta nota Tai1, si puó facilmente calcolae Tmax, delle unitá appatenenti al cestello posto piú in alto applicando la fomula di NEWTON. Tmax - Tai1 = P / (ηc *α*a ) Tmax - Tai0 = P / ( m * Cp ) + P / (ηc *α*a ) Quest ultima equazione é la soluzione esatta del poblema: la coettezza dei isultati dipende solo dall accuatezza dei valoi di ingesso. Eicsson Telecomunicazioni SpA

21 Resp. del contenuto - Subject esponsible Resp. del documento/appovato - Doc.espons./Appoved Contollato - Checked 21(22) 7 HEAT SINK 7.1 Intoduzione Il pogetto di un dissipatoe ottimizzato é un poblema complicato da isolvee e nasce dalla necessitá di miglioae il piú possibile le pestazioni del dissipatoe nelle condizioni di esecizio. 7.2 Tipi di dissipatoe Dissipatoe a disco: é il tipo piú semplice da applicae sui componenti e le sue pestazioni sono indipendenti dalla diezione dell aia. Comunque le pestazioni sono infeioi a quelle che si possono ottenee con alti tipi. Ció é dovuto al fatto che i canali sono non unifomi e ció ende impossibile ottimizzae il dissipatoe pe una specifica velocitá dell aia. Dissipatoe con alette ditte: questo tipo é da pefeie in tutte le applicazioni in cui la diezione dell aia é unifome. Dissipatoe con alette a spillo: possono essee di tipo ditto (gli spilli sono incolonnati odinatamente) oppue a zig-zag. Non pemettono di ottenee pestazioni supeioi ispetto ai pecedenti, ma pesentano il notevole vantaggio di avee pestazioni indipendenti dalla diezione del flusso dell aia, avendo le alette poste ad uguale distanza in tutte le diezioni. 7.3 Ottimizzazione del dissipatoe Nella maggio pate dei casi il dissipatoe occupa un aea limitata del tubo di flusso dell aia: peció gan pate dell aia tende ad agiae il dissipatoe, diminuendone l efficacia. Piú dense sono le alette, piú il fenomeno é ponunciato. Se, d alto canto, le alette sono ade, la supeficie di scambio del caloe diventa piccola. Ottimizzae il dissipatoe significa tovae il miglio compomesso ta queste due tendenze. In geneale la miglio distanza ta le alette dipende da tanti paameti: la velocitá dell aia, lo spessoe delle alette, la pofonditá del dissipatoe, la laghezza del canale d aia ed il tipo di dissipatoe. In paticolae pe qualunque tipo di dissipatoe, la distanza ottima ta le alette diminuisce al cescee della velocitá: tale paameto puó essee ottimizzato solo pe un tipo di velocitá dell aia. Se comunque la velocitá dell aia é bassa (natual Eicsson Telecomunicazioni SpA

22 Resp. del contenuto - Subject esponsible Resp. del documento/appovato - Doc.espons./Appoved Contollato - Checked 22(22) convection), la iduzione di pestazione ispetto all ottimo é elativamente bassa, anche quando la distanza ta le alette é molto lontana dal valoe ottimo. 7.4 Convezione natuale Il dissipatoe appesenta sempe un ostacolo al flusso dell aia: ció é paticolamente evidente in convezione natuale, dove in alcuni casi la sua pesenza puó addiittua ivelasi contopoducente. Pe evitae poblemi i questi casi occoe usae canali d aia abbastanza laghi (>20 mm), gandi distanze ta le alette e dissipatoi sufficientemente laghi. 7.5 Scelta del tipo di package Le pestazioni del dissipatoe possono caatteizzasi mediante la Rca. Tale esistenza temica é posta in seie alla Rjc del componente. É chiao dunque che l efficacia di un dissipatoe é fotemente dipendente dal package a cui é applicato. In paticolae sono da pefeie package cavity down ceamici o metallici (bassa Rjc). Quando si usano package cavity up e/o plastici, l efficacia é idotta. 7.6 Resistenza temica di contatto La esistenza temica di contatto ta due supefici in contatto ta loo dipende dalla ugositá delle supefici, dalla pessione del contatto e dalla eventuale pesenza di un sostanza ta le due supefici e non ultimo dall entitá di caloe pe supeficie. Quando quest ultimo é infeioe a 2 W/cm 2, in genee una piccola pessione ta le supefici pemette di ottenee esistenze temiche sufficientemente basse. Anche la ugosità gioca un uolo impotante: il semplice utilizzo di supefici metalliche molto lisce puó idue la esistenza temica di un fattoe 10. Inolte nei casi estemi puó essee conveniente utilizzae una pasta conduttiva ta le due supefici. Eicsson Telecomunicazioni SpA