Esempio di applicazione (case study) sui tubi di calore (heat pipe) per scheda PCIe

Introduzione

Aavid, la divisione di gestione termica di Boyd Corporation, si è assunta il difficile compito di raffreddare una scheda PCIe ad alta potenza situata all'interno di un'unità di tracciamento della posizione, telemisurazione e controllo (TTC) montata su rack. Questo prodotto svolge l'importante funzione di ponte tra il centro di controllo satellitare e il satellite stesso.



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La sfida

Era necessario che la scheda PCIe in questione dissipasse da 40 a 50 W di potenza, in base alle condizioni operative. Visto il limite imposto dal cliente sull'aggiunta di altre soluzioni di raffreddamento attivo, Aavid doveva trovare una soluzione passiva che utilizzasse la serie di ventole del sistema.

L'obiettivo principale della soluzione di raffreddamento era quello di massimizzare l'MBTF della scheda PCIe mantenendo al minimo la temperatura del BGA del dispositivo.

La soluzione

Per questo livello di dissipazione di potenza, una struttura con tubi di calore (heat pipe) e radiatore ad alette era la soluzione più efficace. Oggi le schede grafiche dei computer di fascia alta utilizzano un sistema simile per ridurre il calore, ma la maggior parte viene raffreddata attivamente con una piccola ventola di bordo. Per mantenere il sistema passivo, Aavid ha deciso di considerare un design a due slot, di cui il secondo occupato da uno stack con alette di dimensioni maggiori.

Aavid ha creato un modello CFD per la base che comprendeva i pacchetti FPGA, PHY, DDR, DDS, Omap, Bridge e LTM. Le proprietà termiche del PCB sono state stabilite in base al numero di strati limite superficiali e di potenza specificati dal cliente. Altri componenti del sistema, come l'RF e le schede dei dissipatori di calore, sono stati modellati come schede per la dissipazione del calore del PCB. In seguito, il sistema è stato analizzato alla temperatura ambiente di 55°C, alla pressione di altitudine di 750 hPa e con una portata di flusso di 300LFM.

Dalla simulazione della base del CFD, Aavid è stata in grado di definire una mappa del flusso e della temperatura sulla scheda, le temperature di scambio dei componenti e le proprietà termiche del contenitore alle condizioni sopradescritte. Questo modello di base è stato poi modificato in base ai seguenti elementi per completare la soluzione termica:

-Per i componenti i cui valori risultavano pari o superiori al limite termico, sono stati effettuati alcuni calcoli per individuare la resistenza termica minima del dissipatore di calore necessaria per far sì che rientrassero in un intervallo di funzionamento sicuro.
-È stata progettata la soluzione termica per tutti i componenti che superavano le temperature di scambio
minime necessarie.
-È stato ottimizzato il dissipatore di calore in base a DFM (Design for manufacturability), costo e prestazioni.

Esito finale

Sono stati forniti al cliente un rapporto completo sulla gestione termica e unità campione per lo svolgimenti dei test. Queste unità campione, prodotte presso l'impianto per la creazione rapida di prototipi di Aavid nella sede centrale di Boyd Corporation a Laconia (New Hampshire), hanno permesso al cliente di confermare la validità della soluzione di gestione termica in modo veloce ed efficace. Dopo il successo dei test effettuati sui campioni, Aavid ha intrapreso una campagna completa di produzione della soluzione di raffreddamento della scheda PCIe per l'uso sul prodotto finale. Dalla concezione alla produzione (e nelle fasi intermedie) Aavid ha saputo offrire una soluzione economica e tempestiva per questo complesso problema di natura termica.

-Nelle condizioni di prova descritte in precedenza (55°C, 750hPa e 300LFM), i valori di tutti i componenti sono rimasti al di sotto dei limiti massimi di temperatura di scambio.
-È stato consigliato l'uso di diaframmi laterali, poiché avrebbero evitato la deviazione dell'aria e migliorato ulteriormente le temperature di scambio.
-Il percorso 3D strategico dei tubi di calore (heat pipe) ha consentito al calore di diffondersi su tutta la superficie del PCB, oltre che nelle alette.

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