Lämmönhallinta: mitä ostajien tulee tietää

Lämmönhallinta on elektroniikan huomaamaton sankari joka pitää laitteet viileinä ja toimintakuntoisina. Kun hankinta-ammattilaiset tuntevat erityyppiset lämmönhallintatuotteet, ymmärtävät miten ne toimivat sekä tuntevat toimitusaikaan liittyvät tekijät, he voivat hankkia parhaan ratkaisun.

Hankinta-ammattilaiset eivät tyypillisesti tee lämmönhallintaratkaisun suunnittelua yksin. Suunnittelijoiden tulisi olla siinä mukana, koska se vaatii erilaista lähestymistapaa kuin tavallisten elektroniikkakomponenttien hankinta.

Yksi tapa on jakaa erityyppiset lämmönhallintatuotteet aktiiviseen jäähdytykseen ja passiiviseen jäähdytykseen. Aktiivijäähdytys käyttää jäähdytykseen sähköä, esimerkkinä tuuletin (AC tai DC) tai Peltier-laite. Jäähdytysteknologioita, jotka eivät vaadi sähköä, ovat mm. rasva, tahna ja lämmönsiirtomateriaali.

Kuva 1: Copalin F310R-05LLC aksiaalista 5 V_DC -tuuletinta voidaan käyttää aktiivijäähdytykseen. (Kuvan lähde: Nidec Copal Electronics)

Tila

Kaikkein tärkein huomioitava tekijä on se paljonko tilaa on käytettävissä. Esimerkiksi tietokoneissa, joissa käytetään suurta koteloa, on paljon tilaa tuulettimelle.

Tila on kriittinen tekijä sellaisissa käyttökohteissa kuten puettavat laitteet ja matkapuhelimet. Suurikokoisia lämmönhallintaratkaisuja ei voida käyttää. Sen sijaan on käytettävä lämmönsiirtomateriaaleja, geelejä ja rasvaa. Tällaisia ratkaisutyyppejä voidaan käyttää tilarajoitusten puitteissa. On myös tärkeää tunnistaa, mitkä komponentti- ja moduulityypit kuumenevat, esimerkkinä langattomat RF-moduulit ja virtalähteet.

Lämmön dissipaatio

Komponentin tuottama lämpö on dissipoitava sovelluksen ulkopuolelle. Lämmön absorboiminen ei riitä vaan se on siirrettävä jonnekin muulle, joko koteloon, toiseen alueeseen tai ilmaan.

Lämmönhallinta tarkoittaa lämmön postamista komponentista ja sen dissipoimista muualle. Jos komponentin lämpöä ei poisteta vaan se absorboi lämmön, parhaassa tapauksessa sen suorituskyky laskee ja pahimmassa tapauksessa osa tuhoutuu.

Käyttökohteissa, joissa on tilaa, voidaan käyttää jäähdytyslevyjä. Jäähdytyslevy on metallinen tai keraaminen kappale, joka asennetaan komponentin päälle. Jäähdytyslevyissä on jäähdytysrimoja, jotka siirtävät lämmön komponentista ilmaan. Jäähdytyslevy on asennettava tiiviisti komponenttiin kiinni. Komponentin pinta saattaa näyttää tasaiselta, mutta todellisuudessa se ei ole tasainen. Jäähdytyslevyn ja komponentin välinen pinta on täytettävä sellaisella väliaineella kuten joustava lämmönsiirtomateriaali, geeli tai rasva. Osa jäähdytyslevyistä toimitetaan valmiiksi pohjaan integroidulla lämmönsiirtomateriaalilla.

Kuva 2: Chemtronicsin jäähdytyslevyrasvaa käytetään täyttämään jäähdytettävän komponentin ja jäähdytyslevyn välinen rako lämmönsiirron parantamiseksi. (Kuvan lähde: Chemtronics)

Ajoitus

Aivan yhtä tärkeä kuin valittu ratkaisu on se milloin kyseinen valittu tuote on tehty. Lämmönsiirtomateriaali on suosittu vaihtoehto ja kaksi sen valinnassa tärkeintä teknistä parametria ovat miten paljon lämpöä ne pystyvät dissipoimaan ja miten nopeasti ne pystyvät dissipoimaan sen. Tämä on laskettava ennen suunnitteluprosessia tai sen aikana. Tämän jälkeen se on testattava oikeassa sovelluksessa. Suunnittelijoiden tulisi olla mukana tässä vaiheessa.

Seuraava tärkeä harkittava parametri on se miten joustava materiaalin tulee olla. Tässä vaiheessa on tärkeää harkita myös tulisiko sovelluksessa käyttää lämmönsiirtomateriaalia vai geeliä. Geeli voi olla rasvaa tai tahnaa. Yksi ongelma rasvan kohdalla on se, että huolto voi olla ongelmallista, likaista ja sottaista, jos rasvattua komponenttia on muutettava tai jos sitä on korjattava. Rasva ei myöskään ole kovin luotettavaa pitkällä aikavälillä, koska sen muoto saattaa joskus muuttua eikä se enää leviä tasaisesti komponentin koko pinnalle. Toisaalta rasva on paljon edullisempi kuin muut ratkaisut.

Lämmönsiirtomateriaali on useimmissa tapauksissa parempi mutta se on leikattava komponentin muodon mukaisesti. Lämmönsiirtomateriaaliratkaisun räätälöinti tarkoittaa, että se maksaa enemmän. Hankinta-ammattilaisten tulisi ottaa kaikki nämä tekijät huomioon, samoin kuin lämmönsiirtomateriaalin leikkaamisen laatukysymykset ja siihen vaadittava lisäaika.

Toimitusajaksi useimmat valmistajat tarjoavat tavallista aikataulua, joka kestää noin viidestä kuuteen viikkoon, plus ehkä yksi tai kaksi viikkoa etukäteisleikkausta varten. Jotkin valmistajat saattavat tehdä tarjouksen 12 viikon päähän, koska käytetty materiaali on useiden raaka-aineiden yhdistelmä ja joka on siis riippuvainen toisista valmistajista. Tästä syystä ulkoiset tekijät voivat viivästyttää toimitusaikoja.

Esimerkiksi muutama vuosi sitten Japanissa tapahtunut maanjäristys tuhosi monia liimatehtaita. Liima on lämmönsiirtomateriaalin avainkomponentti, joten toimitusajat pidentyivät 16 viikkoon tai pidemmiksi. Covid-19-pandemian seurauksena on suljettu eräitä tehtaita. Digi-Keyn vahvan varastotilanteen ansiosta yrityksen toimitusajoissa ei ole ollut paljon muutoksia ja pandemian vaikutus on ollut minimaalinen. Loppujen lopuksi valinta riippuu sovelluksesta ja siitä miten eri tekijät kilpailevat hinnan suhteen.

Seurattavuus

Lämmönhallinnan kannalta myös komponentin seurattavuutta on tärkeä harkita. DigiKey ostaa ainoastaan suoraan valmistajilta, mikä takaa tuotteiden aitouden. Tämä myös auttaa ostajia erottamaan mahdolliset ongelmat prototyyppien kanssa nopeasti ja pääsemään ongelman juurille nopeasti.

Toinen syys miksi seurattavuus on lämmönhallinnassa tärkeää on komponentin varastointiaika. Erityisesti lämmönsiirtomateriaalien, rasvojen ja tahnojen kanssa on tärkeää, että jakelija kiinnittää huomiota varastointiaikaan. Erilaisilla lämmönsiirtomateriaaleilla, valmistajilla ja kemioilla on kaikilla erilainen varastointiaika: joskus se voi olla vuosi, joskus se voi olla viisi vuotta, ja joillakin se voi olla ilman päättymisaikaa. Tästä huolimatta hankinta-ammattilaisten on otettava tämä huomioon hankintaprosessin aikana.

Vaikka lämmönhallintaratkaisuiden hankkiminen saattaa olla kompleksisempaa kuin tyypillisten elektroniikkakomponenttien hankkiminen, se voi olla erittäin antoisa kokemus ja tarjota uusia tapoja, joiden mukaan suunnittelu- ja hankintatiimit voivat työskennellä yhdessä. DigiKey tarjoaa tuhansia erilaisia lämmönhallintaosia varastostaan välitöntä lähetystä varten. Osat saadaan yli kuudeltakymmeneltäviideltä laadukkaalta ja hyvämaineiselta valmistajalta. Kuten aina, DigiKey ja Digi-Keyn oma suunnittelutiimi tarjoavat 24/7-asiakastuen hankinta-ammattilaisille, jotka tekevät lämmönhallintaratkaisuita koskevia päätöksiä.