Flexibilis hordozón kialakított hőmérséklet-eloszlás érzékelő kártya tervezése és karakterizálása
Adatközpontokban az egyre nagyobb számítási igény kiszolgálására (gépitanulás alkalmazások, nagyszámításigényű feladatok, stb.) egyre több és egyre nagyobb teljesítményű félvezető eszközt helyeznek el – ún. rack fiókokba helyezett – áramköri hordozókon. A növekvő teljesítmény, egyre növekvő hődisszipációt és növekvő üzemi hőmérsékletet eredményez. A legnagyobb felületegységre eső disszipációval a rendszerchip eszközök, memória áramkörök és DC/DC konverterek rendelkeznek. Az áramköri kártya felületén rendkívül fontos, hogy a működés közbeni hőmérsékleteloszlást folyamatosan nyomon tudjuk követni. A legmelegebb – ún. hot-spot – pontok feltérképezésével ugyanis lehetővé válik a legvalószínűbb hibahelyek meghatározása. Ezen megfigyelésekre támaszkodva lehetővé válik a későbbiekben az áramköri kártya áttervezése termikus szempontokat is figyelembe véve, csökkentve a meghibásodás valószínűségét és növelve a várható élettartamot.
Azonban a beépített hőmérsékletérzékelő szenzorokkal csak a legnagyobb teljesítményű félvezető eszközök rendelkeznek (rendszerchip eszközök, memóriák). Ráadásul a méréseket úgy kell végrehajtani, hogy az áramköri környezetet a mérés során ne változtassuk meg!
Az Elektronikus Eszközök Tanszékén korábban kifejlesztett felületi hőmérsékleteloszlás érzékelő kártya alkalmazásával korábban is lehetővé vált aktív elektronikai egységekben, rack-szekrényekben található áramköri kártyák hőmérsékleteloszlásának érintésmentes, kvalitatív meghatározása. Azonban a korábbi szenzor válaszideje akár több perc is lehetett, ezzel meghiúsítva a közel ”valós idejű” eredmények felvételét.
A TDK munka keretében kifejlesztett hőmérsékleteloszlás érzékelő kártya ún. rigid-flex technológián készült, az érzékelők egy vékony (10…25 um) flexibilis hordozón kerültek kialakításra. Nagy előnye az ilyen technológiával kialakított érzékelő kártyáknak, hogy az érzékelés időállandóját jelentősen sikerült csökkenteni (kevesebb, mint 10 másodperc).
A szenzorkártya egy egyedi gyártástechnológián került kialakításra, ezért szükséges volt a teljes fizikai terv megtervezése mellett, a technológia egyes lépéseinek a módosítása is. A tervezés során ráadásul termikus szempontokat is figyelembe kellett venni.
Ennek érdekében a teljes szenzorkártyáról előzetesen szükség volt egy 3D CAD modellt alkotni, amelyen CFD szimulátorral állandósult állapotbeli és tranziens termikus szimulációkat futtatunk. Ezáltal sikerült meghatározni az egyes érzékelő pixelek termikus időállandóját.
A szenzor pixelek termikus kompakt modelljét felhasználva, figyelembe véve a párhuzamos hőutakat sikerült a szimulációk eredményét analitikus úton is ellenőrizni. A szimulációk és analitikus modellezés eredményét karakterizáló mérésekkel validáltuk.
Az elkészült hőmérsékleteloszlás érzékelő kártya alkalmasnak bizonyult zárt áramköri egységekben érintésmentesen meghatározni az áramköri hordozón a hot-spot-ok pontos helyét. Mindezek mellett a kártya egyes alkalmazásokban jelenlétérzékelőként vagy akár hősugárzáson alapuló közeltéri kommunikáció eszközként is felhasználásra kerülhet.
szerzők
-
Rotaru Beniamin Daniel
Villamosmérnöki szak, alapképzés
alapképzés (BA/BSc) -
Nyilas Lehel
Villamosmérnöki szak, alapképzés
alapképzés (BA/BSc)
konzulens
-
Dr. Bognár György
egyetemi docens, Elektronikus Eszközök Tanszék
