إدارة الحرارة (الإلكترونيات)

يُشار إلى هذه القيمة عادةً بالمقاومة الحرارية من الوصلة إلى غلاف جهاز أشباه الموصلات ، ووحدتها °C/W. على سبيل المثال،  سيرتفع مُشتت حراري مُصنّف عند 10 °C/W  درجة حرارته بمقدار 10 درجات مئوية عن درجة حرارة الهواء المحيط عند تبديده 1 واط من الحرارة. وبالتالي، يكون المُشتت الحراري ذو القيمة المنخفضة °C/W أكثر كفاءة من المُشتت الحراري ذي القيمة العالية °C/W. ^{[ 3 ]} عند مقارنة جهازي أشباه موصلات في نفس الغلاف، تشير المقاومة الحرارية المنخفضة من الوصلة إلى المحيط (R _θJ-C ) إلى جهاز أكثر كفاءة. مع ذلك، عند مقارنة جهازين ذوي مقاومات حرارية مختلفة في غلاف خالٍ من الرقاقة (مثل DirectFET MT مقابل PQFN ذي وصلة سلكية 5x6 مم)، قد لا ترتبط قيم المقاومة الحرارية من الوصلة إلى المحيط أو من الوصلة إلى الغلاف ارتباطًا مباشرًا بكفاءتهما النسبية. قد تحتوي حزم أشباه الموصلات المختلفة على اتجاهات رقائق مختلفة، وكتلة نحاس (أو معدن آخر) مختلفة تحيط بالرقاقة، وآليات ربط رقائق مختلفة، وسماكة قولبة مختلفة، وكل ذلك يمكن أن يؤدي إلى قيم مقاومة مختلفة بشكل كبير من الوصلة إلى الغلاف أو من الوصلة إلى المحيط، وبالتالي يمكن أن يحجب أرقام الكفاءة الإجمالية.

يمكن اعتبار الكتلة الحرارية للمشتت الحراري بمثابة مكثف (يخزن الحرارة بدلاً من الشحنة)، والمقاومة الحرارية بمثابة مقاومة كهربائية (تقيس سرعة تبديد الحرارة المخزنة). يشكل هذان المكونان معًا دائرة حرارية RC ذات ثابت زمني مرتبط بها، يُحسب بضرب R في C. يمكن استخدام هذه الكمية لحساب قدرة تبديد الحرارة الديناميكية للجهاز، بطريقة مماثلة للحالة الكهربائية. ^{[ 4 ]}

تُستخدم مادة التوصيل الحراري أو المعجون ( المعروف أيضًا باسم TIM ) لملء الفراغات بين أسطح نقل الحرارة ، كما هو الحال بين المعالجات الدقيقة والمشتتات الحرارية ، وذلك لزيادة كفاءة نقل الحرارة . وتتميز هذه المادة بقيمة توصيل حراري أعلى في الاتجاه Z مقارنةً بالاتجاه xy.

نتيجةً للتطورات التكنولوجية والاهتمام العام، شهد سوق مشتتات الحرارة بالتجزئة نموًا كبيرًا. في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، تم إنتاج وحدات معالجة مركزية (CPU) تُصدر حرارة أكبر من ذي قبل، مما زاد من متطلبات أنظمة التبريد عالية الجودة.

لطالما استلزم رفع تردد التشغيل زيادة الحاجة إلى التبريد، وكانت الرقائق الأكثر سخونة بطبيعتها مصدر قلق أكبر لعشاق رفع تردد التشغيل. تُعدّ المشتتات الحرارية الفعّالة ضرورية لأنظمة الكمبيوتر التي تعمل بترددات عالية، فكلما زاد معدل تبريد المعالج، زادت سرعة تشغيل الكمبيوتر دون أي خلل؛ وبشكل عام، يؤدي التشغيل الأسرع إلى أداء أفضل. تتنافس العديد من الشركات اليوم لتقديم أفضل مشتت حراري لعشاق رفع تردد التشغيل في أجهزة الكمبيوتر .

كانت تُستخدم مشتتات حرارية مؤقتة أحيانًا أثناء لحام لوحات الدوائر، لمنع الحرارة الزائدة من إتلاف المكونات الإلكترونية الحساسة المجاورة. في أبسط الحالات، يعني هذا تثبيت أحد المكونات جزئيًا باستخدام مشبك معدني سميك أو مشبك مشابه. عادةً ما تتحمل أجهزة أشباه الموصلات الحديثة، المصممة للتجميع عن طريق لحام إعادة التدفق ، درجات حرارة اللحام دون تلف. من ناحية أخرى، قد تتعطل المكونات الكهربائية، مثل مفاتيح القصب المغناطيسية ، إذا تعرضت لمكاوي لحام ذات طاقة عالية، لذا لا تزال هذه الممارسة شائعة الاستخدام. ^{[ 5 ]}

في البطاريات المستخدمة في المركبات الكهربائية، يُحدد الأداء الاسمي للبطارية عادةً لدرجات حرارة تشغيل تتراوح بين +20  درجة مئوية و+30  درجة مئوية؛ ومع ذلك، قد ينحرف الأداء الفعلي بشكل كبير عن ذلك إذا تم تشغيل البطارية في درجات حرارة أعلى أو، على وجه الخصوص، درجات حرارة أقل، لذلك تحتوي بعض السيارات الكهربائية على أنظمة تدفئة وتبريد لبطارياتها. ^{[ 6 ]}

تُستخدم مشتتات الحرارة على نطاق واسع في الإلكترونيات، وأصبحت عنصرًا أساسيًا في الإلكترونيات الدقيقة الحديثة. في الاستخدام الشائع، هي عبارة عن جسم معدني يُلامس السطح الساخن للمكون الإلكتروني ، مع أن معظم الحالات تستخدم مادة عازلة حرارية رقيقة للتوسط بين السطحين. تُعد المعالجات الدقيقة وأشباه الموصلات التي تتحمل الطاقة أمثلة على الإلكترونيات التي تحتاج إلى مشتت حرارة لخفض درجة حرارتها من خلال زيادة الكتلة الحرارية وتبديد الحرارة (بشكل أساسي عن طريق التوصيل والحمل الحراري ، وبدرجة أقل عن طريق الإشعاع ). وقد أصبحت مشتتات الحرارة ضرورية تقريبًا للدوائر المتكاملة الحديثة مثل المعالجات الدقيقة ، ومعالجات الإشارات الرقمية ، ووحدات معالجة الرسومات ، وغيرها.

يتكون المشتت الحراري عادةً من هيكل معدني ذي سطح مستو واحد أو أكثر لضمان اتصال حراري جيد مع المكونات المراد تبريدها، ومجموعة من النتوءات الشبيهة بالمشط أو الزعانف لزيادة مساحة التلامس مع الهواء، وبالتالي معدل تبديد الحرارة.

يُستخدم المشتت الحراري أحيانًا مع مروحة لزيادة معدل تدفق الهواء فوقه. وهذا يحافظ على تدرج حراري أكبر عن طريق استبدال الهواء الدافئ بسرعة أكبر من سرعة دوران الهواء. يُعرف هذا النظام بنظام الهواء القسري.

قد يُحسّن وضع صفيحة معدنية سميكة موصلة للحرارة، تُعرف بالصفيحة الباردة، كسطح فاصل لنقل الحرارة بين مصدر حراري وسائل بارد متدفق (أو أي مُشتت حراري آخر)، من أداء التبريد. في هذا الترتيب، يبرد المصدر الحراري أسفل الصفيحة السميكة بدلاً من تبريده بتلامس مباشر مع سائل التبريد. وقد ثبت أن الصفيحة السميكة تُحسّن بشكل ملحوظ نقل الحرارة بين المصدر الحراري وسائل التبريد من خلال توصيل التيار الحراري بطريقة مثلى. ومن أبرز مزايا هذه الطريقة عدم الحاجة إلى طاقة ضخ إضافية أو مساحة سطح إضافية لنقل الحرارة، وهو ما يختلف تمامًا عن الزعانف (الأسطح الممتدة).

يصف هذا المصطلح تبريد الجهاز عن طريق تيارات الحمل الحراري للهواء الدافئ الذي يُسمح له بالخروج من داخل الجهاز ليحل محله هواء بارد. ولأن الهواء الدافئ يصعد عادةً، فإن هذه الطريقة تتطلب عادةً فتحات تهوية في الجزء العلوي أو الجانبي من الغلاف لتكون فعالة.

إذا كان هناك هواء يتم دفعه إلى النظام أكثر مما يتم ضخه للخارج (بسبب عدم التوازن في عدد المراوح)، فإن هذا يشار إليه باسم تدفق الهواء "الإيجابي"، حيث يكون الضغط داخل الوحدة أعلى من الضغط الخارجي.

يُعد تدفق الهواء المتوازن أو المحايد هو الأكثر كفاءة، على الرغم من أن تدفق الهواء الإيجابي الطفيف يمكن أن يؤدي إلى تراكم أقل للغبار إذا تم ترشيحه بشكل صحيح.

الأنبوب الحراري هو جهاز لنقل الحرارة يستخدم التبخر والتكثيف لسائل تبريد ثنائي الطور لنقل كميات كبيرة من الحرارة مع فرق طفيف جدًا في درجة الحرارة بين السطحين الساخن والبارد. يتكون الأنبوب الحراري النموذجي من أنبوب مجوف محكم الإغلاق مصنوع من معدن موصل حراريًا مثل النحاس أو الألومنيوم ، وفتيل لإعادة سائل التبريد من المبخر إلى المكثف. يحتوي الأنبوب على كل من السائل المشبع وبخار سائل التبريد (مثل الماء أو الميثانول أو الأمونيا )، مع استبعاد جميع الغازات الأخرى. الأنبوب الحراري الأكثر شيوعًا لإدارة الحرارة في الإلكترونيات يتكون من غلاف وفتيل نحاسيين، مع استخدام الماء كسائل تبريد. يُستخدم مزيج النحاس والميثانول إذا كان الأنبوب الحراري بحاجة إلى العمل تحت درجة تجمد الماء، بينما تُستخدم أنابيب الألومنيوم والأمونيا لتبريد الإلكترونيات في الفضاء.

تتميز الأنابيب الحرارية بكفاءتها العالية في نقل الحرارة. إذ تصل الموصلية الحرارية للأنابيب الحرارية إلى 100,000 واط/متر كلفن، مقارنةً بالنحاس الذي تبلغ موصليته الحرارية حوالي 400 واط/متر كلفن. ^{[ 8 ]}

تستغل ألواح تبريد بلتييه ( Peltier ) تأثير بلتييه لتوليد تدفق حراري بين نقطة اتصال موصلين كهربائيين مختلفين بتطبيق تيار كهربائي. [ 9 ^{] يُستخدم هذا} التأثير عادةً لتبريد المكونات الإلكترونية والأجهزة الصغيرة. عمليًا، يمكن ترتيب العديد من هذه الوصلات على التوالي لزيادة التأثير حسب كمية التسخين أو التبريد المطلوبة.

لا تحتوي ألواح بلتييه على أجزاء متحركة، لذا فهي لا تحتاج إلى صيانة. تتميز بكفاءة منخفضة نسبيًا، ولذلك يُستخدم التبريد الكهروحراري عادةً للأجهزة الإلكترونية، مثل مستشعرات الأشعة تحت الحمراء، التي تحتاج إلى العمل في درجات حرارة أقل من درجة حرارة المحيط. في تبريد هذه الأجهزة، تُعوّض طبيعة ألواح بلتييه الصلبة عن كفاءتها المنخفضة. عادةً ما تكون كفاءة الوصلات الكهروحرارية حوالي 10% من كفاءة ثلاجة دورة كارنو المثالية ، مقارنةً بـ 40% التي تحققها أنظمة دورة الضغط التقليدية.

تُنتَج النفاثات الاصطناعية بتدفق مستمر من الدوامات التي تتشكل نتيجة قذف وسحب الهواء بشكل متناوب عبر فتحة، بحيث يكون صافي تدفق الكتلة صفراً. ومن السمات الفريدة لهذه النفاثات أنها تتشكل بالكامل من سائل التشغيل لنظام التدفق الذي تُستخدم فيه، ويمكنها أن تُضيف زخماً صافياً إلى تدفق النظام دون إضافة كتلة صافية إليه.

لا تحتوي محركات الهواء النفاثة الاصطناعية على أجزاء متحركة، وبالتالي فهي لا تحتاج إلى صيانة. ونظرًا لمعاملات نقل الحرارة العالية، والموثوقية العالية، ولكن معدلات التدفق الإجمالية المنخفضة، تُستخدم محركات الهواء النفاثة الاصطناعية عادةً على مستوى الرقاقة الإلكترونية للتبريد، وليس على مستوى النظام ككل. ومع ذلك، اعتمادًا على حجم الأنظمة وتعقيدها، يمكن استخدامها لكلا الغرضين في بعض الأحيان.

المسرّع الكهروستاتيكي للسوائل (EFA) هو جهاز يضخ سائلاً كالهواء دون أي أجزاء متحركة. فبدلاً من استخدام شفرات دوارة كما في المروحة التقليدية، يستخدم المسرّع الكهروستاتيكي للسوائل مجالاً كهربائياً لدفع جزيئات الهواء المشحونة كهربائياً. ولأن جزيئات الهواء عادةً ما تكون متعادلة الشحنة، يجب على المسرّع الكهروستاتيكي للسوائل توليد بعض الجزيئات المشحونة، أو الأيونات، أولاً. وبالتالي، هناك ثلاث خطوات أساسية في عملية تسريع السوائل: تأيين جزيئات الهواء، واستخدام هذه الأيونات لدفع المزيد من الجزيئات المتعادلة في الاتجاه المطلوب، ثم إعادة التقاط الأيونات وتحييدها لإزالة أي شحنة صافية.

لقد تم فهم المبدأ الأساسي لبعض الوقت، ولكن في السنوات الأخيرة فقط شهدنا تطورات في تصميم وتصنيع أجهزة EFA التي قد تسمح لها بإيجاد تطبيقات عملية واقتصادية، مثل التبريد الدقيق للمكونات الإلكترونية.

في الآونة الأخيرة، يجري البحث في مواد ذات موصلية حرارية عالية، مثل الماس الصناعي ومشتتات التبريد المصنوعة من زرنيخيد البورون، لتحسين التبريد. وقد أظهرت الدراسات أن زرنيخيد البورون يتمتع بموصلية حرارية عالية، بالإضافة إلى موصلية حرارية عالية عند حدود الترانزستورات المصنوعة من نتريد الغاليوم، مما يجعله يتفوق في الأداء على تقنيات التبريد المصنوعة من الماس وكربيد السيليكون. فعلى سبيل المثال، وبتمويل من وزارة الدفاع الأمريكية ، يجري البحث حاليًا باستخدام ترانزستورات نتريد الغاليوم عالية الكثافة مع الماس الصناعي كموصلات حرارية. ^{[ 10 ] [ 11 ]} كما تُصنع بعض مشتتات الحرارة من مواد متعددة ذات خصائص مرغوبة، مثل مواد تغيير الطور ، التي تتميز بقدرتها على تخزين كميات كبيرة من الطاقة بفضل حرارة انصهارها .

غالباً ما تكون المحاكاة الحرارية ضرورية لتحديد كيفية تبريد المكونات بكفاءة ضمن قيود التصميم. تُمكّن المحاكاة من تصميم وتأكيد التصميم الحراري للمعدات في مرحلة مبكرة جداً وطوال مراحل تصميم الأجزاء الإلكترونية والميكانيكية. إن مراعاة الخصائص الحرارية منذ البداية في التصميم يقلل من مخاطر إجراء تغييرات في اللحظات الأخيرة لمعالجة المشكلات الحرارية.

يُمكّن استخدام المحاكاة الحرارية كجزء من عملية التصميم من ابتكار تصميم منتج مثالي ومبتكر يؤدي وظيفته وفقًا للمواصفات ويلبي متطلبات موثوقية العملاء. ^{[ 12 ]}

يسهل تصميم نظام تبريد لأي جهاز تقريبًا إذا توفرت مساحة وطاقة وميزانية غير محدودة. مع ذلك، فإن معظم الأجهزة لها مواصفات دقيقة لا تسمح إلا بهامش خطأ محدود. هناك ضغط مستمر لتقليل متطلبات الطاقة ووزن النظام وتكلفة المكونات، دون المساس بالأداء أو الموثوقية. تتيح المحاكاة الحرارية تجربة التحسينات، مثل تعديل شكل المشتت الحراري أو تقليل سرعة المراوح في بيئة افتراضية، وهي أسرع وأرخص وأكثر أمانًا من التجارب والقياسات العملية.

تقليديًا، يتم التحقق من التصميم الحراري للجهاز لأول مرة بعد بناء نموذج أولي. يُشغَّل الجهاز، ربما داخل غرفة بيئية، وتُقاس درجات حرارة الأجزاء الحيوية للنظام باستخدام مجسات مثل المزدوجات الحرارية. في حال اكتشاف أي مشاكل، يتأخر المشروع ريثما يتم البحث عن حل. قد يتطلب الأمر تغييرًا في تصميم لوحة الدوائر المطبوعة أو جزء من الغلاف لإصلاح المشكلة، وهو ما يستغرق وقتًا ويكلف مبلغًا كبيرًا من المال. أما إذا استُخدمت المحاكاة الحرارية كجزء من عملية تصميم الجهاز، فسيتم تحديد مشاكل التصميم الحراري قبل بناء النموذج الأولي. يُعد إصلاح المشكلة في مرحلة التصميم أسرع وأقل تكلفة من تعديل التصميم بعد إنشاء النموذج الأولي.

هناك مجموعة واسعة من أدوات البرمجيات المصممة للمحاكاة الحرارية للإلكترونيات، بما في ذلك 6SigmaET و Ansys 'IcePak و Mentor Graphics 'FloTHERM.

كما هو مذكور في GR-3028، تحافظ معظم بيئات المعدات على ممرات أمامية باردة (للصيانة) وممرات خلفية ساخنة (للتمديدات الكهربائية)، حيث يتم تزويد الممرات الأمامية بالهواء البارد وسحب الهواء الساخن من الممرات الخلفية. يوفر هذا النظام مزايا متعددة، بما في ذلك تبريد المعدات بكفاءة عالية وكفاءة حرارية ممتازة.

في فئة تبريد الغرف التقليدية التي تستخدمها غالبية شركات الخدمات، يستفيد تبريد المعدات من مواقع سحب وطرد الهواء التي تساعد على نقل الهواء من الممر الأمامي إلى الممر الخلفي. مع ذلك، فقد استُبدل نمط تدفق الهواء التقليدي من الأمام إلى الأسفل ثم إلى الأعلى ثم الخلف في بعض المعدات بأنماط أخرى قد لا تضمن تبريدًا كافيًا للمعدات في المناطق ذات الكثافة الحرارية العالية.

يخدم تصنيف المعدات (الأرفف والخزائن) إلى فئات تبريد المعدات (EC) غرض تصنيف المعدات فيما يتعلق بمواقع مدخل هواء التبريد ومخرج الهواء الساخن، أي مخططات أو بروتوكولات تدفق الهواء للمعدات.

توفر صيغة تصنيف EC لغةً مشتركةً مرنةً وهامةً. تُستخدم هذه الصيغة لتطوير أهداف إطلاق الحرارة (HRTs)، وهي مهمةٌ لضمان موثوقية الشبكة، وتخطيط المعدات والمساحات، وتخطيط سعة البنية التحتية. تأخذ أهداف إطلاق الحرارة في الحسبان القيود المادية للبيئة ومعايير خط الأساس البيئي، بما في ذلك سعة تدفق هواء التزويد، وانتشار الهواء في حيز المعدات، وتفاعلات توزيع الهواء مع المعدات. بالإضافة إلى استخدامها لتطوير أهداف إطلاق الحرارة، يمكن استخدام تصنيف EC لإظهار الامتثال في بيانات المنتج، أو لتوفير مواصفات التصميم الداخلية، أو لتحديد المتطلبات في أوامر الشراء.

يشير تصنيف تبريد الغرف (RC-Class) إلى طريقة تكييف (تبريد) مساحة المعدات ككل. والهدف الرئيسي من تصنيفات تبريد الغرف هو توفير تصنيف ووصف منطقيين لأنظمة أو بروتوكولات تبريد الغرف، القديمة منها والحديثة، في بيئة المكتب المركزي. بالإضافة إلى استخدامه في تطوير أنظمة التبريد، يمكن استخدام تصنيف تبريد الغرف في مواصفات التصميم الداخلية للمكتب المركزي أو في أوامر الشراء.

تُصنّف فئات التبريد التكميلي (SC-Class) تقنيات التبريد التكميلي. ويستخدم مقدمو الخدمات حلول التبريد التكميلي/الموضعي لتعزيز قدرة التبريد (مثل معالجة حالات "البقع الساخنة") التي يوفرها بروتوكول تبريد الغرفة العام كما هو موضح في فئة التبريد RC-Class.

يستهلك قطاع الاتصالات حاليًا نسبة كبيرة من إجمالي الطاقة المستهلكة في مراكز الاتصالات. ويُهدر معظم هذه الطاقة على شكل حرارة في محيط غرفة المعدات. ونظرًا لأن معظم الطاقة المتبقية في مركز الاتصالات تُستخدم لتبريد غرفة المعدات، فإن الأثر الاقتصادي لترشيد استهلاك الطاقة في المعدات الإلكترونية سيكون كبيرًا على الشركات التي تستخدم وتشغل معدات الاتصالات. إذ سيُسهم ذلك في خفض التكاليف الرأسمالية لأنظمة الدعم، وتحسين الظروف الحرارية في غرفة المعدات.