नई शीतलन रणनीतियाँ इलेक्ट्रॉनिक्स थर्मल चुनौतियों का सामना करती हैं

चूंकि इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को थर्मल प्रबंधन की बढ़ती चुनौतियों का सामना करना पड़ता है, इसलिए पारंपरिक शीतलन समाधान अपर्याप्त साबित हो रहे हैं।उपकरण के प्रदर्शन और विश्वसनीयता को बढ़ाने के लिए थर्मल फ्लैट ग्लॉस को कैसे तोड़ें, यह महत्वपूर्ण सवाल इलेक्ट्रॉनिक्स इंजीनियरों और सामग्री वैज्ञानिकों दोनों के लिए एक केंद्रीय फोकस बन गया हैइस लेख में इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में ताप अपव्यय को प्रभावित करने वाले प्रमुख कारकों की जांच की गई है, विशेष रूप से थर्मल चालकता पर जोर दिया गया है,और सामग्री चयन सहित कई दृष्टिकोणों से अनुकूलन रणनीतियों का पता लगाता है, संरचनात्मक डिजाइन और अत्याधुनिक प्रौद्योगिकी अनुप्रयोग।

थर्मल कंडक्टिविटी, एक भौतिक गुण जो गर्मी ऊर्जा को स्थानांतरित करने की सामग्री की क्षमता को मापता है,एक इकाई तापमान ढाल के साथ एक इकाई क्षेत्र में प्रति यूनिट समय में स्थानांतरित गर्मी की मात्रा के रूप में परिभाषित किया गया हैइलेक्ट्रॉनिक शीतलन अनुप्रयोगों में, थर्मल चालकता गर्मी अपव्यय दक्षता के लिए निर्णायक कारक के रूप में कार्य करती है।उच्च ताप प्रवाहकता वाली सामग्री स्रोतों (जैसे चिप्स) से हीट सिंक या अन्य शीतलन माध्यमों में तेजी से गर्मी स्थानांतरित कर सकती है, जिससे चिप के तापमान में कमी आती है और स्थिर उपकरण संचालन सुनिश्चित होता है।

थर्मल चालकता को आमतौर पर W/mK (वाट प्रति मीटर-केल्विन) या Btu/hr-ft-°F (ब्रिटिश थर्मल इकाइयां प्रति घंटे-फुट-फारेनहाइट) की इकाइयों के साथ प्रतीक k द्वारा दर्शाया जाता है। इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में,विभिन्न घटकों में गर्मी का उत्पादन होता है, विशेष रूप से सीपीयू और जीपीयू जैसे पावर सेमीकंडक्टर। संचालन के दौरान, प्रतिरोध के माध्यम से पारित कर रहे वर्तमान जूल हीटिंग उत्पन्न करता है, तापमान में वृद्धि का कारण बनता है। कुशल गर्मी अपव्यय के बिना,घटकों का तापमान लगातार बढ़ रहा है, जो संभावित रूप से प्रदर्शन में गिरावट, जीवन काल में कमी या यहां तक कि विनाशकारी विफलता का कारण बन सकता है।

इलेक्ट्रॉनिक उपकरण शीतलन में जटिल प्रक्रियाएं शामिल होती हैं जहां गर्मी आमतौर पर कई चरणों के माध्यम से स्रोतों से बाहरी वातावरण में स्थानांतरित होती है।इन प्रवाह मार्गों को समझने से अधिक लक्षित थर्मल अनुकूलन संभव हो जाता है:

• चिप के स्तर पर गर्मी हस्तांतरणःगर्मी प्रारंभ में चिप्स के भीतर उत्पन्न होती है और चिप सामग्री (आमतौर पर सिलिकॉन) के माध्यम से सतहों तक जाती है।चिप सामग्री की थर्मल चालकता सीधे आंतरिक तापमान वितरण को प्रभावित करती है.
• चिप-से-हीट सिंक इंटरफ़ेसःचिप सतहों और शीतलन घटकों (हीट सिंक, हीट पाइप) के बीच गर्मी हस्तांतरण अपूर्ण संपर्क और हवा के अंतराल के कारण इंटरफेस थर्मल प्रतिरोध का सामना करता है।इस प्रतिरोध को कम करने के लिए थर्मल ग्रीस या पैड जैसे थर्मल इंटरफेस सामग्री (टीआईएम) का उपयोग किया जाता है.
• हीट सिंक का आंतरिक प्रवाह:हीट सिंक संरचनाओं के माध्यम से गर्मी हस्तांतरण और सतहों के माध्यम से परिवेश वातावरण के साथ आदान-प्रदान। हीट सिंक सामग्री, संरचनात्मक डिजाइन (फिन ज्यामिति, आयाम, अंतराल),और शीतलन विधियों (प्राकृतिक संवहन), मजबूर हवा, तरल शीतलन) सामूहिक रूप से शीतलन दक्षता निर्धारित करते हैं।
• हीट सिंक-पर्यावरण इंटरफेसःअंतिम गर्मी हस्तांतरण हीट सिंक सतहों से आसपास के वातावरण में होता है जहां परिवेश तापमान और वायु प्रवाह की स्थिति प्रदर्शन को प्रभावित करती है।

प्रत्येक प्रवाह मार्ग थर्मल प्रतिरोध में योगदान देता है जो सामूहिक रूप से कुल सिस्टम प्रतिरोध बनाता है। कम कुल प्रतिरोध बेहतर शीतलन प्रदर्शन देता है,थर्मल प्रतिरोध में कमी को इलेक्ट्रॉनिक शीतलन डिजाइन का केंद्रीय फोकस बनाना.

थर्मल चालकता कई कारकों के अनुसार भिन्न होती है जो सामग्री चयन और शीतलन डिजाइन अनुकूलन को सूचित करते हैंः

• सामग्री का प्रकारःधातुओं में आमतौर पर उच्च थर्मल चालकता होती है जबकि गैर-धातुओं (प्लास्टिक, सिरेमिक) में कम मूल्य होते हैं। कमरे के तापमान में प्रतिनिधि मानों में चांदी (429 W/mK), तांबा (401 W/mK),एल्यूमीनियम (237 W/mK), सिलिकॉन (148 W/mK), कांच (1.0 W/mK), प्लास्टिक (0.1-0.5 W/mK), और हवा (0.026 W/mK) ।
• तापमान प्रभाव:धातुओं के लिए, इलेक्ट्रॉन फैलाव में वृद्धि के कारण तापमान बढ़ने के साथ चालकता आमतौर पर कम हो जाती है।गैर-धातु सामग्री सूक्ष्म संरचना और फोनन परिवहन विशेषताओं के आधार पर अधिक जटिल तापमान निर्भरता प्रदर्शित करती है.
• सामग्री शुद्धता और दोषःकम दोषों के साथ उच्च शुद्धता वाली सामग्री अधिक चालकता प्रदर्शित करती है क्योंकि अशुद्धियों और दोषों से गर्मी वाहक (इलेक्ट्रॉन या फोनन) बिखरे हुए हैं, जिससे औसत मुक्त पथ कम हो जाते हैं।
• क्रिस्टलीय संरचनाःक्रिस्टलीय पदार्थों में दिशागत भिन्नता के साथ एनिसोट्रोपिक चालकता होती है। ग्राफाइट में असाधारण रूप से उच्च विमान चालकता होती है लेकिन बहुत कम लंबवत चालकता होती है।

शीतलन डिजाइन के लिए सटीक ताप प्रवाहकता माप आवश्यक है। आम तरीकों में शामिल हैंः

• स्थिर अवस्था के तरीके:सामग्री में निरंतर तापमान अंतर लागू करना और संतुलन पर गर्मी प्रवाह और तापमान ढाल को मापना, धातुओं जैसी उच्च चालकता वाली सामग्री के लिए उपयुक्त है।
• अस्थायी विधियाँ:थर्मल धड़कनें लागू करना और समयिक तापमान प्रतिक्रियाओं को मापना, प्लास्टिक और सिरेमिक जैसी कम चालकता वाली सामग्री के लिए प्रभावी।
• लेजर फ्लैश विश्लेषणःथर्मल फैलाव और चालकता की गणना करने के लिए पीछे की सतह के तापमान प्रतिक्रियाओं को मापते हुए सतहों को गर्म करने के लिए लेजर धड़कनों का उपयोग करने वाली एक प्रमुख क्षणिक विधि।
• 3ω पद्धति:एक एसी तकनीक जो वैकल्पिक धाराओं के लिए वोल्टेज प्रतिक्रियाओं को मापती है, विशेष रूप से पतली फिल्म चालकता माप के लिए उपयुक्त है।

प्रभावी इलेक्ट्रॉनिक शीतलन के लिए थर्मल चालकता के बहुआयामी अनुकूलन की आवश्यकता होती हैः

• उच्च चालकता वाली सामग्री का चयनःसभी शीतलन प्रणालियों में बेहतर चालकता वाले सामग्रियों को प्राथमिकता देना, जिसमें धातु के हीट डिंक और उच्च प्रदर्शन वाले टीआईएम शामिल हैं।
• इंटरफ़ेस अनुकूलनःसतह परिष्करण, संपर्क दबाव समायोजन और टीआईएम कार्यान्वयन के माध्यम से अंतरफलक प्रतिरोध को कम करना।
• हीट सिंक संरचनात्मक वृद्धिःसतह के क्षेत्रफल को बढ़ाना, पंख ज्यामिति को अनुकूलित करना, और उन्नत गर्मी हस्तांतरण तत्वों जैसे कि गर्मी पाइप और वाष्प कक्षों को शामिल करना।
• उन्नत शीतलन प्रौद्योगिकीःउच्च शक्ति अनुप्रयोगों के लिए तरल शीतलन, चरण-परिवर्तन प्रणाली, थर्मोइलेक्ट्रिक शीतलन और माइक्रोचैनल समाधानों को लागू करना।
• नैनोमटेरियल एकीकरण:थर्मल प्रदर्शन को बढ़ाने के लिए कार्बन नैनोट्यूब, ग्राफीन या नैनोफ्लुइड को शामिल करना।

इलेक्ट्रॉनिक शीतलन में निरंतर नवाचार में कई आशाजनक विकास शामिल हैंः

• त्रि-आयामी चिप-एकीकृत शीतलन संरचनाएं
• परिचालन स्थितियों के लिए अनुकूलित शीतलन प्रणाली
• एआई-अनुकूलित थर्मल प्रबंधन रणनीतियाँ
• अगली पीढ़ी की उच्च चालकता वाली सामग्री
• थर्मल एनर्जी की कटाई की प्रौद्योगिकियां

स्मार्टफ़ोन कॉम्पैक्ट आयामों और उच्च घटक घनत्व के कारण विशिष्ट शीतलन चुनौतियों का सामना करते हैं। सामान्य समाधानों में शामिल हैंः

• गर्मी फैलाने के लिए वाष्प कक्ष
• इंटरफेस प्रतिरोध को कम करने के लिए थर्मल जेल
• बढ़ी हुई विसर्जन के लिए ग्राफाइट फिल्म
• प्रीमियम मॉडल में तरल शीतलन प्रणाली

थर्मल चालकता इलेक्ट्रॉनिक शीतलन डिजाइन में आधारभूत पैरामीटर बनी हुई है। सामग्री, इंटरफेस, संरचनाओं और प्रौद्योगिकियों के व्यापक अनुकूलन के माध्यम से,इंजीनियर उपकरण की विश्वसनीयता और प्रदर्शन सुनिश्चित करने के लिए थर्मल चुनौतियों का प्रभावी ढंग से प्रबंधन कर सकते हैंचूंकि बिजली घनत्व लगातार बढ़ रहा है, इसलिए भविष्य की थर्मल प्रबंधन आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए शीतलन प्रौद्योगिकियों और सामग्रियों में निरंतर नवाचार आवश्यक होगा।