El documento introduce los conceptos básicos de refrigeración de equipos electrónicos. Explica los diferentes niveles de empaquetado de circuitos integrados y métodos de refrigeración como aletas, tubos de calor, compresión mecánica, placas frías e inmersión en líquidos. El objetivo final es mantener las temperaturas de unión por debajo de 125°C a medida que aumenta la densidad de transistores y potencia disipada de los semiconductores.

1. Ingeniería Térmica
3º GIERM
Tema 1
Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos
Introducción a la refrigeración de equipos electrónicos
Alberto Fernández Gutiérrez
1. Niveles de empaquetado
2. Niveles de temperatura
3. Densidad de flujo
4. Efectos de la temperatura
5. Evolución de las prestaciones de los semiconductores
6. Métodos de refrigeración
7. Aletas
8. Tubos de calor
9. Compresión mecánica
10.Refrigeración directa con agua fría
11.Placas frías
12.Armarios
13.Inmersión

2. Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos
Tema 1
Introducción a la refrigeración de equipos electrónicos
1. Niveles de empaquetado
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Tema 1
Introducción a la refrigeración de equipos electrónicos
1. Niveles de empaquetado. Estructura interna de los circuitos integrados
SOP PPGA
LQFP
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4. Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos
Tema 1
Introducción a la refrigeración de equipos electrónicos
1. Niveles de empaquetado. Caminos para la transferencia de calor en el interior
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En cualquier circuito integrado se puede encontrar una pequeña región donde se
concentra la mayor parte de la actividad electrónica y por lo tanto la mayor parte
del calor. Esta región se llama unión (Junction).

5. Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos
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Introducción a la refrigeración de equipos electrónicos
2. Niveles de temperatura
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El objetivo del diseño térmico es mantener la temperatura de la “unión” por debajo
de un valor máximo, para componentes plásticos, cerámicos o metálicos es 125ºC.

6. Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos
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3. Densidad de flujo
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Es la potencia disipada por unidad de superficie (W/cm2)

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4. Efectos de la temperatura
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8. Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos
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Introducción a la refrigeración de equipos electrónicos
5. Evolución de las prestaciones de los semiconductores
Gordon Moore, cofundador de Intel,
predijo que el nº de transistores por
procesador se duplicaría en 2 años, ley
de Moore 1965.
Se presenta el mapa de ruta de
NTRS/ITRS según SIA, de la densidad
de transistores (M/cm2) y el tamaño
característico (nm), en los años de
producción establecidos.
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9. Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos
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Introducción a la refrigeración de equipos electrónicos
5. Evolución de las prestaciones de los semiconductores
Disipación térmica. Voltaje de alimentación.
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10. Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos
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Introducción a la refrigeración de equipos electrónicos
Disipación de calor de procesadores de alto rendimiento.
5. Evolución de las prestaciones de los semiconductores
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6. Métodos de refrigeración
Diferencia de temperatura = Tª superficie – Tª sumidero
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12. Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos
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6. Métodos de refrigeración
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13. Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos
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7. Aletas
Pasivas: convección natural + radiación (5 a 50 W)
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14. Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos
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7. Aletas
Activas: convección forzada (10 a 160 W)
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15. Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos
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7. Aletas
Mejora de la difusión del calor en la base de la aleta mediante cámaras de
vapor o tubos de calor.
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16. Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos
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8. Tubos de calor
Permiten trasportar calor eficazmente desde el origen hasta otro punto, para disipar
al ambiente.
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8. Tubos de calor
Están muy extendidos en portátiles y ordenadores compactos.
…ya que permiten transportar el calor desde el procesador de la unidad
hasta uno de los laterales del equipo, donde se encuentra la sección de
condensación del tubo (aleteada) y un ventilador que circula aire exterior.
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9. Compresión mecánica
Compresor
Evaporador
Condensador
V. Expansión
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10. Refrigeración directa con agua fría
El mismo concepto puede extenderse a instalaciones más complejas, sólo
que la distribución se realiza mediante agua o un fluido dieléctrico.
Las tuberías de Cu transportan agua fría que retira el calor disipado por los
componentes. El agua fría se produce en una planta de compresión
mecánica centralizada. 19

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10. Refrigeración directa con agua fría
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11. Placas frías
La placa de circuito puede tener inserciones metálicas (vías térmicas) para
mejorar su conductividad térmica: cilindros metálicos de Cu insertados
transversalmente, cables metálicos insertados longitudinalmente o una
estructura laminar formada por placas metálicas y capas de epoxi.
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22. Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos
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Introducción a la refrigeración de equipos electrónicos
11. Placas frías
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11. Placas frías
Estas cajas herméticamente
cerradas se utilizan en aviónica y
aplicaciones militares, donde por
seguridad se mantiene el equipo
aislado del ambiente exterior.
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Tema 1
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12. Armarios
Ejemplo de refrigeración con aire
del armario de un servidor. En este
caso el aire frío entra ya preparado
por la parte inferior. En otros
sistemas, el armario tiene un
intercambiador de calor agua/aire o
refrigerante/aire.
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25. Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos
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Introducción a la refrigeración de equipos electrónicos
13. Inmersión
Consiste en sumergir la electrónica en un líquido dieléctrico. Se aprovecha
la convección con un líquido y su ebullición, de forma más eficaz.
Esta tecnología se utiliza en aplicaciones de muy alta potencia, por ejemplo:
radares, supercomputadores y grandes servidores.
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26. Depto. Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos
Tema 1
Introducción a la refrigeración de equipos electrónicos
13. Inmersión
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