Chłodzenie - opis zagadnienia

Wielu użytkownikom kojarzy się co najwyżej z lodówką, inni zastanawiają się nad problemem gdy przyjdzie lato, a użytkownicy sprzętu elektronicznego bagatelizują problem jeśli oczywiście mają świadomość jego istnienia. Podczas gdy to właśnie technika odprowadzania ciepła ma olbrzymi wpływ na rozwój technologii.

Wzrastająca złożoność układów elektronicznych, wprowadzanie nowych procesów technologicznych ...90nm, 65nm, 45nm, 32nm, wkrótce 22nm. Miliardy tranzystorów (Nehalem - 1,9 miliarda tranzystorów), częstotliwości przekraczające 3GHz, rosnący pobór energii, do tego rezystancja. Wraz z tymi parametrami wzrasta zdolność do wydzielania dużych ilości ciepła, które trzeba w jakiś sposób odprowadzić.

Po co? Odpowiedzią są podstawowe zasady termodynamiki. A w połączeniu z wymienionymi powyżej cechami nowoczesnych układów elektronicznych i braku chłodzenia, wywołują niepożądane reakcje, tj. błędy w pracy układu, przegrzanie lub w najgorszym przypadku spalenie się sprzętu.
 Pierwsze procesory o magicznych częstotliwościach, nieprzekraczających 10 MHz nie sprawiały problemów, dopiero z pojawieniem się 16 lat temu rodziny mikroprocesorów 486, konstruktorzy zmuszeni zostali do "interwencji"
Dodatkowe chłodzenie ukazało się najpierw na jednostkach Intel`a, następnie na klonach Cyrix`a. 
"Zieloni" dopiero dwa lata później, bo w 1994 roku zaczęli przypominać na swym model
A80486DX2-66 o konieczności montażu aktywnego chłodzenia.

Ówczesne jednostki centralne zadowalały się ok. 15 gramowym radiatorkiem.

Źródło: Wikipedia

 Następne generacje wymagały już dużo bardziej rozbudowanych układów, które rozwijają się do dnia dzisiejszego
Widok małego kawałeczka metalu przytwierdzonego do chipu może rozbawić niejednego posiadacza nowoczesnego układu chłodzenia. Należy jednak pamiętać że wszystkie aktualne technologie opierają się nadal na tych samych, znanych od wielu lat prawach fizyki, nieważne czy to jest chłodzenie wodną, freonem, czy ciekłym azotem.
Dlatego dla wyjaśnienia całego zagadnienia muszę zawrzeć tu kilka regułek, twierdzeń i innych niekoniecznie ciekawych dla wszystkich rzeczy. Podstawowych zasad jak wiemy z podstawówki jest cztery, nie będę ich dokładnie omawiał, przytoczę tylko to co nam się przyda.

Dla ułatwienia rysuneczek:

  Rys. bocian 

Ciepło przemieszcza się trzema sposobami:

• Przewodzenie - gdy występuje bezpośredni kontakt pomiędzy układami, w naszym przypadku chipu z radiatorem, energia wędruje od cieplejszego układu do zimniejszego.
• Konwekcja - przenoszenie ciepła przez gazy i ciecze. Powietrze odbiera energie termiczną z radiatora i unosi się.
• Promieniowanie - energia cieplna wypromieniowuje w postaci elektromagnetycznych fal podczerwonych. 
Ciepło wędruje od cieplejszego układu do zimniejszego.
 Chyba obejdzie się bez objaśnień

Zamknięty układ dąży do wyrównania temperatury swych elementów składowych.
Przyjmiemy że tym układem jest człowiek, wystarczy sprawdzić jaką ma się temperaturę. Ogólnie, gdzie byśmy nie mierzyli powinna być zbliżona.

Przepływające ciepło natrafia na rezystancje termiczną
Każda materia ma własną przewodność cieplna uzależnioną od składu i właściwości fizycznych cząsteczki. Dlatego radiatory, bloki wodne i inne elementy systemu chłodzenia zbudowane są najczęściej z metali ( aluminium, miedź) gdyż pierwiastki te charakteryzują się niską opornością termiczną

Rezystancję termiczną możemy obliczyć za pomocą wzoru: 

Skoro jesteśmy już przy wzorach, niema sensu zmieniać tematu.
Powyższy wzór w lekko innej postaci używany jest bardzo często przy zestawieniach wydajności układów chłodzenia, dlatego omówię go dokładniej. Współczynnikiem tym jest C/W, a oblicza się to w ten sposób:

C/W - wydajność systemu chłodzenia
ΔT - temperatura układu elektronicznego - temperatura otoczenia
W - pobór mocy przez układ elektroniczny


Rozwijając temat rezystancji termicznej , zamieszczam poniżej tabelkę z rozpisanymi właściwościami poszczególnych pierwiastków chemicznych. Jak już wcześniej wspomniałem najczęściej stosowanymi materiałami w "chłodnictwie" są metale, dokładniej aluminium i miedź. 
Aluminium ze względu na swą mała wagę (2,7 g/cm3 ), wysoką przewodność termiczną, odporność na działanie wody, oraz relatywnie niską cenę.  
Miedź stosowana jest rzadziej, ze względu na cenę, wagę: ponad 3 krotnie większa gęstość od aluminium (8,9g/cm3), uniemożliwia konstruowanie wymienników cieplnych o dużej powierzchni oddawania ciepła. Rekompensuje to dwukrotnie większą przewodnością cieplną.
 

Czasami stosuje się także Nikiel, do pokrywania miedzianych bądź aluminiowych części chłodzenia, najczęściej pełni funkcje estetyczną, ale zapobiega także śniedzeniu miedzi mało odpornej na wodę 

Niektórzy może zastanawiają się czemu materiał o najlepszej przewodności tzn. Srebro, nie jest powszechnie używany do budowy radiatorów i innych podzespołów systemów chłodzenia. Odpowiedź jest prosta: cena. Stosuje się ją za to jako składnik past termo-przewodzących. 
 Co to jest pasta termo-przewodząca?
Jak sama nazwa wskazuje jest to substancja posiadająca zdolność do przewodzenia energii termicznej. W jakim celu i gdzie się ją stosuje?. Aplikuję się pomiędzy radiator a chip. Pasta wypełnia mikro szczeliny zarówno w podstawce radiatora jak i powierzchni chipu, zwiększając powierzchnię odbioru ciepła. A co za tym idzie wydajniejsze chłodzenie.

Ze względu na skład możemy wyróżnić pasty których składnikiem bazowym, jest:

• silikon
• ceramika
• metal
• syntetyczny diament

Pasty których podstawowym składnikiem jest silikon nie przewodzą prądu, podobnie ceramiczne i oparte o syntetyczne diamenty. Z pastami na bazie metali bywa różnie.
Czy stosowanie pasty to konieczność? Nie. Jednak nie zaleca się montowania chłodzenia bez uprzedniego zaaplikowania substancji termo-przewodzącej. Może to grozić uszkodzeniem sprzętu. Choć niewłaściwe użycie może spowodować jeszcze większe szkody.
Najbardziej narażone były na to procesory pozbawione IHS np. Athlon XP
IHS, dokładniej heatspreader to metalowa osłona rdzenia procesora. Ma za zadanie ochronę przed uszkodzeniem, według producentów polepsza także odprowadzanie ciepła co jest niestety nieprawdą. Jako pierwsze zastosowało to rozwiązanie AMD w 1997 r. , aktualnie montuje się je praktycznie na każdym procesorze

AMD K6/PR2-166ALR - pierwszy IHS

Dalszy ciąg nie nastąpi ...raczej