組み込みボードの熱管理ソリューション

エッジ処理の増加、性能向上、組み込みプラットフォームの小型化により、消費電力と発熱量が増加し、熱的ホットスポットが発生しています。熱ストレスは組み込みシステムの性能を著しく低下させ、システム全体の故障を引き起こすことさえあります。過度の熱に長期間さらされることも、電子部品の寿命を縮めます。

熱管理技術を理解することは、デバイスを最適な動作状態に維持するために極めて重要です。エレクトロニクス産業の進歩により、システムの信頼性と性能を高める革新的な熱管理技術が必要とされています。Market Research Futureによると、世界の熱管理市場は2022年から2030年にかけて年平均成長率8%で成長し、2030年までに203億米ドルに達すると予想されています。

サーマルアクセサリは、デバイスの動作中に熱が発生するため、FPGAだけでなく、さまざまな電子製品で非常に重要です。適切な熱管理は、これらのデバイスの性能、信頼性、寿命を維持するために不可欠です。ここでは、サーマルアクセサリがさまざまな製品にとって重要である理由をご紹介します。

1.マイクロプロセッサとCPU：

• 発熱：特に高性能コンピュータやサーバのCPUは、集中的な計算作業により、かなりの熱を発生します。
• サーマルアクセサリ：ヒートシンク、サーマルペースト、冷却ファンは、熱放散、サーマルスロットリングの防止、安定した性能の確保に不可欠です。

2.グラフィックスプロセッシングユニット（GPU）：

• 高い消費電力：GPUは、特にゲーム、AI、データ処理において、多くの電力を消費し、かなりの熱を発生します。
• 熱管理：最適な温度を維持し、過熱を防ぎ、高性能を維持するには、大型ヒートシンク、ファン、場合によっては液冷などの冷却ソリューションが必要です。

3．電源ユニット（PSU）：

• 熱放散：電源装置はACをDCに変換するため、熱として大きなエネルギー損失を伴います。
• 冷却ソリューション：電源装置の効率と寿命を維持するには、ファンによる能動的冷却とヒートシンクによる受動的冷却が不可欠です。

4．メモリモジュール（RAM、DRAM）：

• 動作の安定性：高速メモリモジュールは熱を発生することがあり、これを制御しないと、データの破損やシステムの不安定につながる可能性があります。
• サーマルアクセサリ：ヒートスプレッダと冷却ファンは、熱を放散し、データの完全性と速度を維持するために使用されます。

5．ネットワーク機器（ルータ、スイッチ）：

• 連続運転：ネットワーク機器は年中無休で稼働していることが多く、継続的な発熱につながります。
• 冷却要件：安定した性能を確保し、故障を防ぐためには、ヒートシンク、ファン、場合によっては環境冷却（サーバルームの空調など）が必要です。

6.組み込みシステム：

• コンパクト設計の課題：組み込みシステムは、多くの場合、熱放散が難しい制約のある環境で動作します。
• サーマルソリューション：カスタムヒートシンク、サーマルパッド、冷却機能付き専用エンクロージャは、これらのコンパクトなシステムの熱を管理し、産業用および車載用アプリケーションの信頼性を確保するために使用されます。

7.モバイル機器（スマートフォン、タブレット）：

• 熱の制約：モバイル機器はコンパクトで冷却スペースが限られていますが、高性能のプロセッサやバッテリを搭載しているため発熱します。
• 革新的な冷却：サーマルスロットリング、グラファイトヒートスプレッダ、先進素材などの技術が、デバイスのサイズを大きくすることなく熱を管理するために使用されています。

8.バッテリと電力貯蔵：

• 安全性と寿命：バッテリは、特に電気自動車や大容量の蓄電システムにおいて、充放電時に熱を発生します。
• 熱管理：液冷、熱管理システム、耐熱材料などの冷却システムは、バッテリ寿命の低下や危険な状況につながる可能性のある過熱を防ぐために不可欠です。

9.通信機器：

• 連続的な熱負荷：基地局、アンテナ、その他の通信機器は、動作中に常に熱を発生します。
• 冷却の必要性：ヒートシンク、ファン、空調管理されたエンクロージャは、機器の信頼性とサービスの可用性を維持するために不可欠です。

10.高性能コンピューティング（HPC）システム：

• 極端な発熱：科学研究、AI、ビッグデータ分析に使用されるHPCシステムには、高密度のコンピューティングクラスタが使用されるため、かなりの熱が発生します。
• 高度な冷却：液体冷却、液浸冷却、および高度な空冷システムは、熱を管理し、中断のない高速動作を確保するために不可欠です。

サーマルアクセサリは、FPGAだけでなく、さまざまなエレクトロニクス製品に不可欠です。熱を放散し、過熱を防ぎ、デバイスの信頼性と効率性を確保する上で重要な役割を果たします。適切な熱管理が行われないと、電子製品の性能低下、不安定性、致命的な故障につながる可能性があります。サーマルソリューションの選択は、消費電力、サイズ、動作環境など、製品固有の要件に依存します。

組み込みソリューションにおける一般的な熱放散技術

システムの小型化と高性能化に伴い、熱放散技術はこれまで以上に重要になっています。設計者は、コンポーネントやPCBから熱を取り除くために、下記の一般的な方法を使用することができます。

ヒートシンクと冷却ファン - ヒートシンクは大きな表面を持つ熱伝導性の金属部品で、受動的な熱交換器として機能し、伝導によって周囲の空気に熱を放散します。ヒートシンクに冷却ファンを追加することで、より迅速かつ効果的に熱を除去することができます。この組み合わせは、特に空気流が限られている環境において、組み込みシステムを冷却するための最も一般的で効果的な方法の1つを提供します。

図1：この冷却ファン付きヒートシンクは、それが搭載されたコンポーネントの熱放散に役立ちます。（画像提供：iWave）

ヒートパイプの統合 - ヒートパイプは、高温用途で使用される冷却装置です。典型的なヒートパイプは、熱を吸収して気化し、パイプに沿って移動する流体で構成されています。コンデンサで蒸気は液体に戻り、サイクルが繰り返されます。ヒートパイプは効率が高く、長距離にわたって熱を伝えることができるため、小型で高密度の電子機器に最適です。

ヒートスプレッダ - ヒートスプレッダは大きな平らな面を持ち、通常は別の大きな平らな面に直接押し付けられます。小さなコンポーネントから大きな金属表面への熱伝達を可能にします。ヒートスプレッダは、極度の衝撃や振動に耐えなければならない機器や、密閉容器内に収納される機器に最適です。頑丈で密閉された組み込みシステムの熱を管理するための堅牢なソリューションを提供します。

熱電クーラー（TEC）- 熱電クーラーは、コンポーネントの温度を一定に保つ必要があるシステムに最適です。消費電力の大きいプロセッサでは、従来の空冷の限界を超えるために、TEC、空冷、液冷を組み合わせて使用することがよくあります。TECは、コンポーネントを周囲温度以下に冷却し、正確な温度制御を提供することができます。

サーマルビア - サーマルビアアレイは、銅が充填されたエリアの上に組み込まれ、電源の近くに配置されます。この方法では、熱はコンポーネントから銅エリアに流れ、ビアから空気を通して放散されます。サーマルビアは、サーマルパッド付き電源管理モジュールやコンポーネントによく使用され、PCBの熱伝導性を高めます。

液冷システム - 液体は空気の4倍の速さで熱を伝えることができるため、小型のソリューションでも高い熱性能を発揮します。液冷システムには、熱源とインターフェースする冷却プレートまたは冷却エンクロージャ、液体を循環させるポンプまたはコンプレッサ、熱を安全に吸収・放散する熱交換器が含まれます。液冷は、高出力アプリケーションや高密度に実装された電子アセンブリに特に効果的です。

iWaveのサーマルソリューション

iWaveのメカニカルエンジニアの専門チームは、ヒートシンク、ファンシンク、エンクロージャを製品固有の熱特性に合わせて設計しています。エンジニアが最適な冷却方法を決定し、関連する熱パラメータを理解し、最終的に製品全体の信頼性を向上させるために、熱シミュレーションソフトウェアを使用しています。

熱流パターン解析

iWaveのエンジニアは、Ansys Icepakなどのツールを使用して、デバイス内の熱流パターンをシミュレートすることができます。この解析は、熱のホットスポットを特定し、冷却コンポーネントの配置を最適化するのに役立ちます。システム内の熱の動きを理解することで、エンジニアはより効果的な熱管理ソリューションを設計することができます。

カスタムヒートシンク設計

iWaveは、各プロジェクトのユニークなニーズに合わせてカスタムヒートシンクを設計しています。設計プロセスでは、表面積と材料特性に基づいて熱放散の理論値を計算します。その後、エンジニアはシミュレーションソフトウェアを使ってこれらの設計をテストし、さまざまな動作条件下で適切な冷却が行われることを確認しています。

アクティブデバイスの冷却方法

TECや冷却ファンの統合など、能動的な冷却方法も設計段階で検討されます。iWaveは、各手法の利点と限界を評価し、それぞれの用途に最も効率的で費用対効果の高いソリューションを選択しています。

あらゆるフォームファクタに対応するサーマルソリューション

iWaveは、OSM、SMARC、Qseven、SODIMMなど、あらゆるフォームファクタに対応するサーマルソリューションを提供しています。これらのソリューションは、優れた材料特性を持つアルミニウム合金AL6063を利用しています。アルミニウムは優れた導電体であり、毒性がなく、リサイクル可能で、耐久性に優れているため、コンポーネントから熱を伝えるのに理想的です。

社内のサーマルソリューションにより、製品設計者は、エンジニアリングの遅れ、現場での不具合、製品開発サイクルの繰り返しをなくし、実装コストを削減することができます。デバイスが放散する熱量を減らすことで、効率と信頼性が向上し、製品の寿命が延びます。

まとめ

組み込みシステムの複雑化と電力密度の増大により、高度な熱管理技術が必要とされています。ヒートシンクや冷却ファンから液冷システムやサーマルビアまで、さまざまな熱放散方法を採用することで、設計者はデバイスの最適な性能と信頼性を確保することができます。iWaveのような企業は、製品固有のニーズに合わせた専用のサーマルソリューションを提供しています。これらの企業は、高度なシミュレーションツールとカスタム設計を活用して、最新のエレクトロニクスの課題に対応しています。

iWaveのサーマルソリューションの詳細については、こちらからご覧ください。