モバイルデバイスは、良い意味でも悪い意味でも、かつてないほど人気が高まっています。スマートフォン、タブレット、その他の種類のモバイル デバイスの売上が記録を更新し続ける一方で、処理速度の高速化とフォーム ファクターの小型化、薄型化に対する需要が高まり、信頼性の高い熱管理がますます困難になっています。幸いなことに、熱管理の需要が急増しているにもかかわらず、モバイル デバイスを冷却し、安全かつ機能的に保つことを目的としたテクノロジと設計の選択肢が急速に増えており、その中から選択できるようになったことを設計者は喜ぶことができます。
温度を下げるためにパフォーマンスを縮小するために頻繁に使用される熱を考慮した電源管理アルゴリズムに加えて、設計者は、モバイル デバイスの温度がパフォーマンスや信頼性に悪影響を与えるレベルまで上昇しないようにするために、さまざまなハードウェア ベースのアプローチに依存しています。
冷却の選択肢
熱管理製品は、電子機器の信頼性を向上させ、早期故障を防ぐために、電子機器の通常の動作によって発生する熱を最小限に抑える、または放散するように設計されています。 モバイル デバイスの冷却には、パッシブとアクティブの2つの基本的な形式があります。パッシブ冷却は、騒音を発生せず、突然の故障が起こりにくく、電源を必要としないため、優れています。アクティブ冷却技術は、一般的に、より 急速かつ効率的な温度低下 を実現しますが、サイズ、電力要件、騒音、および/またはコストの点で不利な点があります。
最も古く、最も広く使用されている受動的な熱伝達方法は、 ヒートシンク と ヒートスプレッダーです。基本的なヒートシンクは、CPUなどのデバイスから別の媒体に熱を伝達する単なる熱交換器です。ヒートシンクにはさまざまなサイズと形状があります。通常、ヒートシンクは、熱を発生するコンポーネントに物理的に取り付けられたアルミニウムや銅などの熱伝導性金属を使用します。熱は伝導によってコンポーネントからヒートシンクに伝達され、その後、自然対流によってヒートシンクの表面から周囲の空気中に放散されます。
より洗練されたタイプのヒートシンクであるヒートスプレッダーは、熱源からより大きな表面積と形状を特徴とする二次熱交換器に熱を伝達することによって機能します。通常、グラファイトなどの熱伝導性材料で形成された平板を使用して熱を吸収し、その熱をモバイル デバイスの外部の金属シャーシに伝え、最終的には環境に放出します。現在のスマートフォンのほとんどは、熱を放散するために何らかのヒートスプレッダーに依存しています。
ヒートスプレッダは、発熱部品を含むプリント回路基板 (PCB) のバッキングプレートとしてよく使用されます。PCBに埋め込まれたサーマルビア は、コンポーネント パッケージとヒート スプレッダー間の導管として機能し、熱の流れを改善します。一部のPCBテクノロジでは、金属コア層をボードに直接統合することで外部プレートが不要になり、PCB自体がヒートスプレッダとして機能できるようになります。
すべてのタイプのヒートスプレッダーは優れた温度管理を提供します。さらに強力で効果的な冷却のために、グラフェン熱スプレッダーに電流を流すことが可能で、これによりデバイスは熱電冷却によって瞬時にアクティブコールドプレートに変わります。 熱電冷却器 (TEC)は、急速に熱を放散させるために熱源とヒートシンクの間に挿入される薄型でコンパクトなデバイスです。 TECに電圧が印加されると、デバイスの両側に温度差が形成され、伝導による熱伝達が可能になります。
ヒートパイプ は、さまざまな種類のモバイルデバイスの内部温度を確実に下げるもう1つの方法を提供します。ヒートパイプは、銅やアルミニウムなどの固体導体に比べて高価ではあるものの、魅力的な代替品であり、総熱抵抗が低いという利点を活かして、内部のホットスポットからそれほど重要でない領域に熱を迅速かつ確実に移動させます。部品によって発生した熱によってパイプの一端の液体が沸騰し、その液体は冷たい端まで流れていきます。蒸気は急速に凝縮し（潜熱を放出し）、毛細管現象または重力によってヒートパイプの加熱された端に戻ります。ヒートパイプは通常、平らに置くことも複雑な形状に曲げることもできる熱伝導性金属で作られているため、スペースが限られたPCBでの使用に非常に適しています。
歴史的に、液体冷却は主にサーバーなどの大型の固定システム内の温度を管理するために使用されていました。しかし、現在の漏れ防止ヒートパイプにより、このアプローチはスマートフォンのようなコンパクトなモバイルデバイスでも実用的になります。たとえば、サムスンは、S7、S8、S9スマートフォンモデルの内部に水を満たした銅管を使用し、内部で発生した熱をデバイスのケースに効果的に伝導することに成功しました。
効果的な熱緩和にはデザインも重要な役割を果たします。熱管理を最適化するように構成された、慎重に計画されたPCBは、コストやパフォーマンスのオーバーヘッドをほとんどまたはまったくかけずに、内部温度を下げることができます。 複数のビア（通常は層間に挟まれた中空および円筒形の銅金属転送）を使用して熱源に直接接続されたソリッド グラウンド プレーンまたは電源プレーンの層をPCBに追加することは、熱放散の有効表面積を増やすためによく使用される手法です。
最も人気のあるアクティブ冷却技術であるファンとブロワーは、ラップトップ コンピューターなどの大型モバイル デバイスの内部で、内部温度を継続的に管理するために広く使用されています。冷却は、ファンまたはブロワーを使用して、熱を発生するコンポーネント またはヒートシンクなどの受動冷却デバイスの真上の空気の流れを増やすことによって行われます。
ファンとブロワーの両方の欠点は、可動ブレードによって運ばれた熱気を1つ以上の外部通気口に向ける必要があることです。これらの通気口が、デバイスを枕の上に置くなどしてエンドユーザーによって誤って塞がれると、内部温度が急速に許容できないレベルまで上昇し、システムが突然シャットダウンしたり、最悪の場合、コンポーネントが損傷または破壊される可能性があります。
さらに、最も小型のファンとブロワーであっても、スマートフォンやタブレット内に導入するには大きすぎて電力を大量に消費します。ただし、例外が少なくとも1つあります。今年初め、中国の携帯電話メーカーNubiaがRed Magic 3を発表しました 。モバイル ゲーマーをターゲットにしたこのスマートフォンには、液体冷却銅ヒートパイプと内部冷却ファンの両方が組み込まれています。このファンは、専用の隔離されたチャンバー内で最大14,000 rpmの速度で静かに動作し、ほこりや液体による汚染から保護されていると言われています。このファンは連続使用で30,000時間以上使用できると報告されています。
最後の言葉
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