An investigation into mechanical and thermal characteristics of synthetic jet actuators with compact packaging

Abstract

Cooling systems have been one of the most important elements in packaged electronics due to their inseparable relation with performance. Processors, light emitting diodes (LED), servers, advanced communication systems, power electronics and many other electronic components require cooling to function properly and perform better. Therefore, thermal management plays a substantial role in many systems. That said, it must be acknowledged that the electronics aim to have the smallest composition possible, which is why their integrated cooling system must also have small volumes. Cooling mechanism must be designed such that the heat is removed from the cooling target with the highest efficiency, while having the smallest package size. These mechanisms must also provide a low-cost solution, hence the problems in electronics cooling emerge. When it comes to the densely packaged systems, the "Tendon of Achilles" has always been the operating temperature of electronics. In most of the applications, especially in the printed circuit boards (PCB), novel and smart technologies are required to achieve the best performance while preserving small volume. From end-user to original equipment manufacturer (OEM), numerous applications use electronics packaged with cooling systems. This thesis studies one of the novel technologies in active cooling in ambient temperature operating conditions, synthetic jet actuators. Synthetic jet actuators play an important role in passive-to-active cooling with condensed volumes, and long life-cycle capabilities. Composed of piezo actuated disks and an orifice, synthetic jet actuators excite the inner air volume by agitating piezo disks and creating an air flow. Given their high advantage in cooling performance, low cost of material and production brings synthetic jet to the more feasible alternative in electronics cooling. To achieve the best cooling performance with the lowest power consumption possible, optimization of synthetic jet actuators, by a design of jet manufacturing setup and experimental validation and qualification has been studied. To achieve precision and consistency in mechanical aspects of synthetic jet actuators, a manufacturing rig combined with a robotic dispenser and pneumatic pick and place system has been designed and produced. Visual microscope examination for boundary condition validation has been conducted to minimize the uncertainties resulting from mechanical inconsistencies. In-house manufactured synthetic jet actuators have been tested to measure their mechanical and thermal performance, using laser vibrometer and PID controlled heat transfer test system. Orifice shape and design has been studied by experimentation and analytical derivations in this thesis. In-house manufactured synthetic jet actuators are also compared with their alternatives, axial fans, where natural convection, forced convection by axial fan and synthetic jet impingement cases are observed. Later, as a benchmark study, a third-party synthetic jet product has been analyzed and thermally compared with the jets manufactured in this thesis. Finally, a novel packaging study has been performed to create a product with validated driving frequency at the optimum resonant mode shape, and highest cooling performance, using finite element analysis (FEA) for validation and optimization of mechanical aspect and package design of a final product.

Soğutma sistemleri, elektronik cihazlarda, sistemin performansını direkt olarak etkileyen en önemli unsurlardan biridir. İşlemciler, ışık yayan diyotlar (LED), sunucular, güç elektroniği ve diğer birçok elektronik bileşen, verimli şekilde çalışabilmeleri ve beklenen performansı gösterebilmeleri için uygun şekilde tasarlanmış bir soğutma sistemine ihtiyaç duyarlar. Bu nedenle, ısıl yönetim temellerinden biri olan soğutma sistemleri elektronikte oldukça önemli bir rol oynar. Genel kural olarak, bir sistemde elektronik komponentlerin mümkün olan en küçük hacme sahip olması gerektiği düşünüldüğünde, entegre soğutma sistemlerinin de olabilecek en küçük hacimde ve mümkün olan en verimli şekilde planlanması gerekmektedir. Ancak ısının soğutma hedefinden en yüksek verimle uzaklaştırılması sağlanırken, aynı zamanda düşük maliyetli bir çözüm sunulmalıdır. Bu da elektronik soğutma sistemlerinde en sık karşılaşılan sorun ortaya çıkabilmektedir. Küçük paketli elektronik sistemler söz konusu olduğunda, "Aşil Tendonu" her zaman elektroniklerin çalışma sıcaklığı olmuştur. Günümüzde elektronik uygulamaları ile ilgili yapılan çalışmaların büyük bir kısmı, özellikle baskılı devre kartlarında (PCB), soğutma sistemlerinin mümkün olan en küçük hacimlerde tutularak, en iyi performansı elde edebilmesi amacıyla yeni ve akıllı teknolojiler geliştirilmesi hedeflenmektedir. Son kullanıcıdan orijinal ekipman üreticisine (OEM), çok sayıda uygulamada soğutma sistemleri geliştirilmiş elektronik cihazlar veya sistemler kullanılmaktadır. Elektroniklerin termal yönetimi, soğutma kapasiteleri, toplam hacmi ve enerji verimliliği açısından farklı çalışmalar ve çözümler gerektirmektedir. En uygun soğutma sisteminin seçimi, tasarım mühendislerinin en önemli sorumluluklarından biridir. Bu çalışmada, ortam sıcaklığı çalışma koşullarında aktif soğutmadaki en yeni teknolojilerden biri olan sentetik jetler incelenmiştir. Sentetik jetler, küçük hacimleri ve uzun kullanım ömrü özellikleri ile pasif-aktif soğutma geçişlerinde önemli bir rol oynamaktadır. Sentetik jetler, piezo tahrikli diskler ve bir açıklıktan (delik veya boşluk) oluşmaktadır. Piezo disklerin hareketi ile iç hava hacmi harekete geçmekte ve bu hareket bir iç hava akışı oluşturmaktadır. Soğutma performansındaki birçok avantajın yanında düşük malzeme ve üretim maliyetleri göz önünde bulundurulduğunda sentetik jetler elektronik soğutmada son derece uygun bir alternatif olarak belirlenmektedir. Genellikle bir piezo disk ve küçük bir diyaframdan oluşan sentetik jetler, pasif soğutmadan aktif soğutmaya geçiş ihtiyacı olduğunda önemli bir bileşen olarak kabul edilmektedirler. Bu çalışmada sentetik jetlerin en yüksek soğutma performansını en düşük enerji tüketimi ile elde edebilmek amacıyla, sentetik jetlerin optimizasyonu, jetlerin üretim düzeneklerinin tasarımı ve deneysel çalışmaların validasyonu üzerinde durulmuştur. Sentetik jetlerin üretiminde mekanik olarak hassasiyet ve tutarlılık elde edilebilmesi oldukça önemlidir. Bu nedenle bu çalışmada robotik bir dağıtıcı ve pnömatik alma ve yerleştirme sistemi ile birleştirilmiş bir üretim düzeneği tasarlanmış ve üretilmiştir. Geliştirilen düzenek aracılığı ile üretilen sentetik jetler, mekanik ve termal performansları lazer vibrometre ve PID kontrollü ısı transfer test sistemi kullanılarak test edilmiştir. Orifis şekli (açıklık veya boşluk), sentetik jetlerin termal performansını etkileyen en önemli parametrelerden biri olarak belirlenmiştir. Bu tezde, açıklığın ağız şekli ve tasarımı, deneysel ve analitik analizler ile incelenmiştir. Tasarlanan düzenek ile üretilen sentetik jetler, soğutmada kullanılan bir alternatifleri olan eksenel fanlar ile doğal konveksiyon, eksenel fan ile zorlu konveksiyon ve sentetik jet çarparak soğutma durumlarının gözlemlendiği bir deneyde karşılaştırılmıştır. Daha sonra, bir kıyaslama çalışması olarak, farklı bir üreticiye ait bir sentetik jet aynı şekilde analiz edilmiş ve bu tezde üretilen jetlerle termal olarak karşılaştırılmıştır. Sentetik jetin çalışma frekansı ve voltaj genliğini bulmak için osiloskop ile ölçümleri yapılmıştır. Son olarak, nihai ürünün mekanik parametreleri ve paket tasarımının doğrulanması ve optimizasyonu için sonlu elemanlar analizi (FEA) kullanılarak, en düşük frekans ve en yüksek soğutma performansına sahip bir ürün oluşturmak için bir paketleme çalışması yapılmıştır.