Análise de robustez da performance térmica de dissipadores de calor por convecção utilizados em microprocessadores

Abstract

A dissipação de calor é um desafio crítico na indústria eletrônica devido à constante evolução tecnológica e miniaturização dos componentes. Muitos estudos têm sido realizados para otimizar a transferência de calor, mas a complexidade do tema ainda impõe desafios. Atualmente, o método mais comum é a dissipação de calor por meio de superfícies estendidas que estabelecem contato térmico com o ar. A eficácia deste método depende fortemente dos parâmetros geométricos, propriedades termo físicas, condições operacionais e pode não ser eficaz em todas as situações. Por tais motivos, o presente trabalho tem como objetivo geral analisar a robustez da performance térmica de dissipadores de calor por convecção utilizados em microprocessadores para controlar a temperatura de junção dentro de limites seguros para a operação. A pesquisa é baseada em estudos teóricos e experimentais, aplicando técnicas de simulação e análise de dados para avaliar o desempenho térmico dos dispositivos eletrônicos. A metodologia consiste no emprego do método Projeto Robusto (Método de Taguchi) e do método de Monte Carlo combinados a um modelo matemático do dissipador de calor. O método baseia-se em aplicar matrizes ortogonais para o plano de testes de simulação, estudando vários fatores simultaneamente com níveis de confiança aceitáveis e com número reduzido de testes para obter a combinação otimizada mais aproximada da média da variável resposta bem como desvio padrão menor. A análise dos resultados em 5 conceitos de dissipadores se baseou na aplicação de um plano de simulação L27 de Taguchi, constando 4 fatores de controle: velocidade do fluido, altura da aleta, condutância de contato e condutividade térmicas bem com um fator de ruído caracterizado pela temperatura ambiente. Ambos foram simulados em 3 níveis: nominal, nominal mais limite de especificação e nominal menos limite de especificação. Assim a aplicação do Projeto Robusto demonstrou que o conceito CCPFHSpar se tornou mais robusto e atingiu o valor alvo da variável resposta aos níveis de fator de condutividade térmica de 570 W m-1 K-1 e altura da aleta de 15,17 mm, elevando a relação sinal ruído original de 3,40 dB para 3,73 dB representado um ganho de 10 %. O mesmo conceito simulado em material de Cobre puro de condutividade térmica de 400 W m-1 K-1 e altura de aletas de 15,69 mm obteve 3,5 dB de sinal ruído demonstrando um ganho de 3 % em relação a condição inicial do conceito. No modelo CPFHSst o fator velocidade foi ajustado de 6,00 m s-1 para 6,03 m s-1, resultando em 3,38 dB em contrapartida dos originais 3,35 dB de sinal ruido evidenciando que modelo já estava em sua melhor condições em termos de robustez. Desta forma contatou-se que o método Projeto Robusto foi eficaz, atingindo o objetivo de operar, o microprocessador, a 80,00 °C mesmo com variação de ±1,50°C na temperatura ambiente. Em suma, os resultados obtidos pelo estudo realizado além de contribuir para compreensão da dissipação de calor em dispositivos eletrônicos e otimização da robustez da transferência de calor, abre caminhos para novos estudos de pesquisas, sejam na consideração de materiais alternativos, contextos diferentes, exploração de novos parâmetros e integração com tecnologias emergentes.

Abstract: Heat dissipation is a critical challenge in the electronics industry due to constant technological evolution and miniaturization of components. Many studies have been carried out to optimize heat transfer, but the complexity of the topic still poses challenges. Currently, the most common method is heat dissipation through extended surfaces that establish thermal contact with air. The effectiveness of this method strongly depends on geometric parameters, thermophysical properties, operational conditions and may not be effective in all situations. For these reasons, the general objective of this work is to analyze the robustness of the thermal performance of convection heat sinks used in microprocessors to control the junction temperature within safe limits for operation. The research is based on theoretical and experimental studies, applying simulation and data analysis techniques to evaluate the thermal performance of electronic devices. The methodology consists of using the Robust Design method (Taguchi Method) and Monte Carlo method combined with a mathematical model of the heat sink. The method is based on applying orthogonal matrices to the simulation test plan, studying several factors simultaneously with acceptable confidence levels and with a reduced number of tests to obtain the closest optimized combination of the mean of the response variable as well as the lowest standard deviation. The analysis of the results in 5 heatsink concepts was based on the application of a Taguchi L27 simulation plan, consisting of 4 control factors: fluid speed, fin height, contact conductance and thermal conductivity as well as a noise factor characterized by room temperature. Both were simulated at 3 levels: nominal, nominal plus specification limit and nominal minus specification limit. Thus, the application of the Robust Project demonstrated that the CCPFHSpar concept became more robust and reached the target value of the response variable at thermal conductivity factor levels of 570 W m-1 K-1 and fin height of 15,17 mm, increasing the original signal-to-noise ratio of 3,40 dB to 3,73 dB represented a gain of 10%. The same concept simulated in pure copper material with thermal conductivity of 400 W m-1 K-1 and fin height of 15,69 mm obtained 3,5 dB of signal-to-noise, demonstrating a gain of 3% in relation to the initial condition of the concept. In the CPFHSst model, the speed factor was adjusted from 6,00 m s-1 to 6.03 m s-1, resulting in 3,38 dB in contrast to the original 3,35 dB of signal noise, showing that the model was already at its best conditions in terms of robustness. In this way, it was found that the Robust Project method was effective, achieving the objective of operating the microprocessor at 80,00 °C even with a variation of ±1,50 °C in the ambient temperature. In summary, the results obtained from the conducted study not only contribute to the understanding of heat dissipation in electronic devices and the optimization of heat transfer robustness but also pave the way for new research studies. These could involve the understanding of alternative materials, different contexts, exploration of new parameters, and integration with emerging technologies.