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

La scheda PCIe in questione doveva dissipare 40-50W di potenza, a seconda delle 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. Le schede grafiche computertiche di fascia alta di oggi utilizzano un sistema simile per scaricare il loro calore; tuttavia, la maggior parte di questi sono attivamente raffreddati con un piccolo ventilatore a 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 di base CFD dettagliato che includeva 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 le schede RF e HeatSink, sono stati modellati come schede PCB dissipatore di calore. 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 al o al di sopra del loro limite termico, sono stati effettuati calcoli per trovare la resistenza termica minima del bacino di calore richiesto per portarli in gamme operative sicure.
-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.

-Alle condizioni testate di cui sopra (55oC, 750hPaand 300LFM), tutti i componenti sono rimasti bassi i limiti massimi di temperatura di giunzione.
-Le deflettori laterali sono state raccomandate perché, se incluse, impedirebbero il bypass dell'aria e migliorerebbero ulteriormente le temperature di giunzione.
-L'instradamento strategico 3D dei tubi di calore ha permesso al calore di diffondersi sulla superficie dei pcbas e fino alle alette.

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