Värmeutvecklingen är ett växande problem i dagens elektronikprodukter, ett problem som tvingar många elektroniktillverkare att snegla på nya metoder för att leda bort värmen från de allt hetare produkterna.

Vätskebaserade lösningar, termiska kontaktmedel och uprating är tre alternativ som tros bli vanligare.


- Vi närmar oss en gräns där luftkylning inte lägre räcker för alla typer av tillämpningar, säger Åke Mälhammar som är expert på värmeöverföring på Ericsson Radio.

Hos just Ericsson hittar man föga förvånande de hetaste komponenterna i slutstegen till basstationer, där kapslar på 1-2 cm2 kan avge mer än 50 W i värmeeffekt. Men Åke Mälhammar berättar även att han deltar i ett projekt där man använder en processor som drar hela 110 W.

Andra exempel på riktigt höga effekter återfinns hos företag vars produkter innehåller kraftaggregat, likriktare och DC-DC-omvandlare. Sen finns det komponenter - som processorer, DSP-er och asicar - som kanske bara kommer upp i ett par Watt, men där man ändå behöver nya angreppssätt för att leda bort värmen. Miniatyriseringen gör att elektroniken kläms in i allt mindre höljen, där det ryms en mycket liten luftvolym. Situationen underlättas inte när man stänger in elektroniken i EMC-täta höljen, som hindrar elektromagnetisk strålning såväl som kylluft.

Vad finns det då för alternativ till luftkylning? En möjlighet är att utnyttja vätskor som värmebärare, vätskor är som bekant överlägsna luft när det gäller kylförmåga. Och så kallade tvåfaskylare - värmerör (heat pipes) och termosifoner - som leder bort värme genom kokning och kondensering spås äntligen få större spridning i elektroniksammanhang.

För trots att termosifoner funnits i över hundra år så har tekniken hittills inte fått något genombrott inom elektronikkylning. Något bättre genomslag har värmerör fått - många bärbara datorer innehåller värmerör.

- Laptops gav heatpipetekniken kommersiell spridning, men i övrigt används inte heatpipes i storvolym idag. Men nu står tekniken inför sitt genombrott, och i ett stort antal projekt i Sverige undersöker man om heat pipes är ett lämpligt kylningsalternativ. Det rör sig exempelvis om företag som utvecklar telekomprodukter, bilar och kraftaggregat, säger Peter Buddee på Bromanco Björkgren som är svensk distributör av kyllösningar från Thermacore.



Miniatyrisering skyndar på


Ett svenskt företag som utnyttjar tvåfaskylning är Multi Q. Företaget utnyttjar tekniken för att kyla den pc som man byggt in i en av sina platta skärmar. På Ericsson har tekniken däremot inte fått fäste; enligt vad Åke Mälhammar känner till så används inte vätskebaserade kylare kommersiellt inom företaget ännu. Antalet vätskekylda produkter från Ericsson lär emellertid öka de närmaste åren.

- Termosifoner är ett verkligt alternativ i ett antal projekt nu. Vi undersöker smarta tillverkningsmetoder och är nära en implementering, säger Åke Mälhammar.

Han menar att skälet till att man inte anammat tekniken tidigare är att värmeproblemen inte varit tillräckligt akuta för att motivera kostnaden. Tack vare miniatyriseringen har emellertid yteffekten, alltså effektförbrukningen per ytenhet, ökat så våldsamt att tiden bör vara mogen.

En förutsättning för att tekniken ska få spridning är dock att det finns fungerande beräkningsmetoder, så att man kan dimensionera termosifonen för en viss tillämpning och på ett tidigt stadium överblicka konsekvenserna av olika alternativ.

Därför pågår ett Nutekfinansierat forskningsprojekt på KTH med målet att föra termosifontekniken ett steg närmare industriell tillämpning.

- Vi utvecklar programvara som beräknar hur mycket effekt som kan kylas bort vid olika geometrier, köldmedier och yteffekter, säger Björn Palm på Institutionen för Energiteknik på KTH.

Programvaran ska visserligen inte bli någon kommersiell produkt, men den ska vara så pass användarvänlig att de tre Ericssonbolag som deltar i forskningsprojektet ska kunna använda det.

Ytterligare en deltagare är Växjöföretaget Tilab, som ska utnyttja sitt kunnande om tvåfaskylare i ventilationssystem för att ta fram prototyper för elektronikkylning. Förhoppningen är att man ska kunna ta steget till serieproduktion.

Fullflänskylning är en annan metod som kan få större spridning. Vid fullflänskylning täcker en kylfläns ett helt kretskort och har kontakt med alla heta komponenter på kortet. Metoden ger god kyleffekt; luften utnyttjas mycket effektivare än när varje het komponent får en egen liten kylfläns.

Fullflänskylning är vanlig i exempelvis kraftaggregat, fast då rör det sig om kretskort med ett fåtal komponenter. På mer komponentrika kretskort har tekniken sällan använts eftersom det varit svårt att skapa en god termisk kontakt mellan kylaren och komponenterna, som oftast är olika höga.

En annan svårighet är att kontakten kan brytas när kretskortet böjs en aning. Nu ser det dock ljusare ut för tekniken tack vare den snabba utvecklingen inom termiska kontaktmaterial, alltså det mer eller mindre kladdiga material som appliceras mellan komponent och kylare.

- Vi har många projekt på gång som ska utnyttja fullflänskylning. Vi utvecklar exempelvis en fullflänslösning till ett kort med 32 komponenter, som ser lovande ut. Det hade inte gått utan de nya termiska kontaktmaterialen, säger Åke Mälhammar.



Termisk brygga


De termiska kontaktmaterialen kan också komma att göra tjänst i framtida 3G- telefoner för att skapa en termisk brygga mellan en het komponent och höljet. Tekniskt sätt kunde ett värmerör lösa kylningen, men det anses vara för dyrt.

Ett annat sätt att hantera värme är att helt sonika acceptera att elektroniken håller högre temperatur än vad den är specificerad för. Metoden kallas uprating och testat av IVF - Institutet för Verkstadsteknisk Forskning - i samarbete med ett tiotal företag.

Finessen med att tillåta en högre temperatur är att temperaturskillnaden jämfört med omgivningen ökar, vilket gör att mer värme leds bort.

- Kan bara tillförlitligheten garanteras så är uprating en av de billigaste och mest miljövänliga metoderna för att öka kylningen. Den bortledda värmemängden bli mellan två och tre gånger större jämfört med kort som håller sig i det traditionella temperaturintervallet, säger Anders Sihlbom på IVF.

I IVFs försök får kretskortens temperatur gå uppemot 110°C att jämföra med 85°C som brukar vara den tillåtna maxtemperaturen. I dagsläget samarbetar IVF om uprating med ett antal leverantörer av telekomutrustning och fordonselektronik.

I framtiden tror Anders Sihlbom att metoden kan komma att användas även i bärbara datorer och alla möjliga industritillämpningar.

Kruxet är tillförlitligheten; tillverkaren av kretskort, lod och komponenter ger inga garantier för den som använder produkterna utanför det specificerade temperaturintervallet. Därför utför IVF ett stort antal tester för att kunna förutse livslängden, se artikeln invid. Man har redan så pass mycket på fötterna att man ska försöka använda metoden i ett kommersiellt projekt.

- Vi ska använda uprating i nästa generations kretskort hos en telekomleverantör, säger Anders Sihlbom.

Charlotta von Schultz