محفظه هیت سینک: مواد، ساخت و طراحی حرارتی توضیح داده شده است

مسکن هیت سینک : هنگامی که محفظه بخشی از سیستم مدیریت حرارتی می شود

یک محفظه هیت سینک دو عملکرد را ترکیب می کند که معمولاً توسط اجزای جداگانه انجام می شود: به طور همزمان به عنوان محفظه ساختاری یک مجموعه الکترونیکی و به عنوان مسیر اصلی اتلاف گرما برای اجزای داخل آن عمل می کند. به جای نصب یک هیت سینک مجزا بر روی یک قطعه و سپس قرار دادن آن مجموعه در داخل یک شاسی جداگانه، یک محفظه هیت سینک پره ها، کانال ها یا سایر هندسه های اتلاف کننده را مستقیماً در دیوارها یا پایه محفظه ادغام می کند و خود محفظه را به محلول مدیریت حرارتی تبدیل می کند.

این رویکرد به‌ویژه در درایورهای LED، مبدل‌های قدرت، کنترل‌کننده‌های موتور، وسایل روشنایی صنعتی، و محفظه‌های الکترونیکی دارای رتبه‌بندی در فضای باز که فضای سطح تخته محدود است، جایی که محفظه باید در برابر نفوذ آب بندی شود، و جایی که یک سینک حرارتی داخلی مجزا مناطق مرده جریان هوا را ایجاد می‌کند یا به فن نیاز دارد که برنامه نمی‌تواند آن را در خود جای دهد، رایج است. طراحی حرارتی و مکانیکی یک محفظه هیت سینک جدایی ناپذیر است - بهینه سازی یکی در حالی که دیگری را نادیده می گیرد به طور قابل اعتماد محصولی تولید می کند که هر یک از نیازها را برآورده نمی کند.

مواد مورد استفاده در طراحی مسکن هیت سینک

انتخاب مواد برای محفظه هیت سینک یکی از مهم ترین تصمیمات طراحی است زیرا به طور همزمان سقف هدایت حرارتی را تعیین می کند، فرآیندهای تولید موجود را تعیین می کند و وزن پایه و ساختار هزینه قطعه تمام شده را تعیین می کند.

آلیاژهای آلومینیوم

آلومینیوم ماده غالب برای کاربردهای مسکن در تمام بخش های بازار است. رسانایی حرارتی آلیاژهای آلومینیوم معمولی بین آنها قرار می گیرد 130 و 210 W/m·K بسته به آلیاژ و مزاج - به طور قابل توجهی کمتر از آلومینیوم خالص (237 W/m·K) اما بسیار برتر از فولاد، روی یا پلاستیک های مهندسی است. دو آلیاژی که اغلب مشخص می شوند عبارتند از:

• 6063-T5 - آلیاژ اکستروژن استاندارد برای پروفیل های هیت سینک، با هدایت حرارتی تقریباً 200 W/m·K و قابلیت پرداخت سطح عالی. محتوای سیلیکون کمتر آن در مقایسه با 6061 آن را برای مقاطع اکستروژن پیچیده با باله های نازک مناسب تر می کند. اکثر محفظه های سینک حرارتی اکسترود شده برای ال ای دی و الکترونیک قدرت از 6063 یا آلیاژهای معادل آن استفاده می کنند (به عنوان مثال EN AW-6063 در اروپا).
• ADC12 / A380 - آلیاژهای ریخته گری با سیلیکون بالا با هدایت حرارتی تقریباً 90 تا 100 W/m·K. رسانایی پایین تر در مقایسه با 6063، معادل هندسه سه بعدی پیچیده ای است که ریخته گری دایکستینگ امکان پذیر می کند - باس های نصب یکپارچه، ویژگی های ورودی کابل و باله های زیرین که اکستروژن نمی تواند ایجاد کند. محفظه های هیت سینک آلومینیومی دایکاست در الکترونیک خودرو، کنترل موتورهای صنعتی و محفظه های دارای رتبه IP بالا استاندارد هستند.

مس

مس offers thermal conductivity of approximately 385–400 W/m·K - تقریباً دو برابر آلومینیوم - اما با چگالی سه برابر و هزینه مواد به طور قابل توجهی بالاتر. محفظه‌های سینک حرارتی کامل مسی به دلیل وزن و هزینه نادر هستند، اما درج‌های مسی، محفظه‌های بخار یا لوله‌های حرارتی تعبیه‌شده در یک محفظه آلومینیومی، یک رویکرد ترکیبی به خوبی تثبیت‌شده برای کاربردهایی هستند که در آن بار حرارتی یک جزء خاص بیشتر از چیزی است که یک طراحی تمام آلومینیومی می‌تواند بدون تجاوز از محدودیت‌های دمای محل اتصال تحمل کند.

پلیمرهای رسانای حرارتی

ترکیبات پلیمری رسانای حرارتی – معمولاً نایلون، PPS، یا LCP پر شده با نیترید بور، نیترید آلومینیوم یا فیبر کربن – به رسانایی حرارتی در محدوده ای دست می یابند. 1-20 W/m·K ، که مرتبه ای کمتر از آلومینیوم است اما به طور قابل توجهی بالاتر از پلاستیک های مهندسی استاندارد (0.1-0.3 W/m·K) است. مزیت رقابتی آنها در کاربردهایی است که نیاز به ایزوله الکتریکی سطح محفظه، کاهش وزن فراتر از آنچه آلومینیوم می تواند به دست آورد، و آزادی طراحی قالب گیری تزریقی است. چراغ‌های LED و منابع تغذیه الکترونیک مصرفی رایج‌ترین مناطق کاربردی برای محفظه‌های پلیمری رسانای حرارتی هستند.

روشهای ساخت و پیامدهای حرارتی آنها

فرآیند ساخت مورد استفاده برای تولید محفظه هیت سینک نه تنها هزینه و گزینه های هندسی، بلکه چگالی باله قابل دستیابی، حداقل ضخامت دیواره، و - به طور بحرانی - ناهمسانگردی هدایت حرارتی از طریق قطعه را تعیین می کند.

اکستروژن

اکستروژن آلومینیوم کارآمدترین مسیر تولید حرارتی برای محفظه های هیت سینک است زیرا از آلیاژهای سری 6063 با رسانایی بالا استفاده می کند و یک مقطع پیوسته با پره های متراکم و یکنواخت ایجاد می کند. پروفیل های اکسترود شده به طول برش داده می شوند و برای نصب ویژگی ها و نقاط ورودی کابل ماشین کاری می شوند. محدودیت این است که سطح مقطع باید در امتداد محور اکستروژن یکنواخت باشد - ویژگی هایی که نیاز به تغییر در جهت Z دارند باید با ماشینکاری ثانویه اضافه شوند. برای محفظه هایی که اساساً منشوری هستند - یک محفظه مستطیلی یا استوانه ای با پره ها در قسمت بیرونی - اکستروژن تقریباً همیشه فرآیند بهینه در هر دو زمینه حرارتی و هزینه است.

دایکستینگ

ریخته‌گری تحت فشار با آلیاژ ADC12 یا A380 هندسه‌های محفظه‌ای سه‌بعدی ایجاد می‌کند که با اکستروژن قابل دستیابی نیستند، با تکرارپذیری ابعادی بالا و حداقل ماشین‌کاری ثانویه برای تولید سری. جریمه هدایت حرارتی آلیاژ ریخته گری سیلیکونی بالا (~96 W/m·K در مقابل ~ 200 W/m·K برای 6063) باید با افزایش سطح باله یا با پذیرش دمای عملیاتی بالاتر در حالت پایدار جبران شود. برای کاربردهایی که هندسه محفظه به جای بهینه سازی حرارتی بر اساس الزامات مکانیکی یا درجه بندی IP است، ریخته گری معمولاً فرآیند مناسبی است. حداقل ضخامت دیواره در ریخته گری برای آلومینیوم تقریباً 1.5-2.0 میلی متر است. نسبت‌های باله‌ای تقریباً به 5:1 بدون پیچیدگی‌های زاویه پیش نویس محدود می‌شوند.

ماشینکاری CNC

محفظه های هیت سینک ماشینکاری شده از بیلت 6061-T6 یا 6063-T5 بالاترین آزادی هندسی را ارائه می دهند و از همان آلیاژهای رسانایی بالا به عنوان اکستروژن استفاده می کنند. آنها رویکرد استاندارد برای نمونه های اولیه، تولید کم حجم، و کاربردهایی هستند که به تحمل ابعادی بسیار فشرده روی سطوح جفت گیری نیاز دارند. هزینه واحد در حجم به طور قابل توجهی بالاتر از اکستروژن یا ریخته گری دایکاست، اما ماشین کاری به هندسه های باله اجازه می دهد - از جمله باله های اسکیت شده و آرایه های پین آسیاب شده - که به تراکم باله ها و نسبت ابعادی فراتر از آنچه اکستروژن یا ریخته گری می تواند تولید کند، دست یابد. ماشین‌کاری باله‌های چوبی، به‌ویژه، می‌تواند باله‌هایی به نازک ۰.۲ میلی‌متر با نسبت‌های تصویری بالاتر از ۴۰:۱ تولید کند، که به چگالی سطحی دست می‌یابد که به محدودیت‌های نظری برای خنک‌سازی همرفت طبیعی نزدیک می‌شود.

مقایسه فرآیند تولید

اصول طراحی حرارتی برای محفظه های هیت سینک

طراحی موثر محفظه هیت سینک مستلزم مدیریت زنجیره کامل مقاومت حرارتی از محل اتصال به محیط است – نه فقط به حداکثر رساندن سطح باله. هر مرحله در زنجیره باعث مقاومت می‌شود و ضعیف‌ترین پیوند، بدون توجه به اینکه مراحل دیگر چقدر بهینه شده‌اند، محدودیتی را برای دمای اتصال قابل دستیابی تعیین می‌کند.

زنجیره مقاومت حرارتی

برای یک قطعه نصب شده در داخل محفظه هیت سینک، مسیر حرارتی اجرا می شود: اتصال → بسته اجزا → مواد رابط حرارتی (TIM) → پایه محفظه → پره های محفظه → هوای محیط. مقاومت حرارتی کل اتصال به محیط (θ _ja ) مجموع تمام مقاومت ها در این زنجیره است. در یک محفظه هیت سینک که به خوبی طراحی شده است، مقاومت غالب معمولاً مقاومت همرفتی در سطح باله است - رابط بین آلومینیوم و هوا. کاهش این مقاومت از طریق افزایش سطح باله، فاصله بهینه باله، یا همرفت اجباری، بیشترین بهبود را در دمای محل اتصال به همراه دارد.

مواد رابط حرارتی بین جزء و پایه محفظه یک منبع مقاومت است که اغلب دست کم گرفته می شود. یک پد TIM تغییر فاز استاندارد دارای رسانایی حرارتی تقریباً 3-6 W/m·K است. یک ورق گرافیت ممتاز به 10-15 W/m·K می رسد. یک گریس حرارتی که به خوبی اعمال شود می تواند تحت فشار گیره کافی به 8-12 W/m·K برسد. تعیین یک ماده محفظه با رسانایی بالا در حین استفاده از TIM ضعیف، یک خطای رایج طراحی است که عملکرد را در مرحله اتصال به مورد قبل از اینکه هندسه محفظه حتی مرتبط شود، محدود می‌کند.

هندسه باله همرفت طبیعی در مقابل همرفت اجباری

هندسه پره محفظه هیت سینک باید با رژیم جریان هوای محیط نصب مطابقت داشته باشد. همرفت طبیعی - جریان هوای شناور بدون فن - فرض پیش فرض برای محفظه های مهر و موم شده یا دارای رتبه IP است. تحت همرفت طبیعی، معمولاً فاصله باله بهینه است 6-12 میلی متر برای باله های عمودی؛ فاصله باریکتر یک اثر دودکش ایجاد می کند که به جای افزایش جریان هوا از طریق کانال های باله به دلیل ادغام لایه های مرزی از باله های مجاور، جریان هوا را کاهش می دهد. ارتفاع باله‌ها تحت همرفت طبیعی با همین اثر محدود می‌شود - باله‌های بلندتر از حدود 50 تا 75 میلی‌متر با افزایش دمای هوا از طریق کانال بازدهی کاهشی نشان می‌دهند.

برای محفظه‌هایی با جابجایی اجباری (محفظه‌های خنک‌شده با فن)، فاصله باله‌ها را می‌توان به ۲ تا ۴ میلی‌متر کاهش داد و ارتفاع پره‌ها را به‌طور قابل‌توجهی افزایش داد، زیرا جریان اجباری سرعت را در کانال مستقل از شناوری حفظ می‌کند. آرایه های باله پین ​​- به جای پره های صفحه ای - اغلب در محفظه های سینک حرارتی جابجایی اجباری مشخص می شوند، زیرا حساسیت کمتری نسبت به جهت جریان هوا دارند و زمانی که زاویه هوای ورودی کاملاً با جهت باله هماهنگ نباشد، عملکرد خوبی دارند.

سطح پایان و انتشار

تشعشع به طور معنی داری به اتلاف گرما از محفظه های سینک حرارتی در محیط های همرفت طبیعی، به ویژه در دماهای بالا کمک می کند. یک سطح آلومینیومی ماشینکاری شده لخت دارای تابش تقریباً 0.05-0.10 است - به طور مؤثر رادیاتور ضعیفی است. آنودایز کردن سطح محفظه باعث افزایش انتشار می شود 0.80-0.90 ، که می تواند دمای عملیاتی حالت پایدار را به میزان 5 تا 15 درجه سانتیگراد در سطوح قدرت درایور LED معمولی در مقایسه با روکش آلومینیومی خالی کاهش دهد. آندایزینگ سیاه بالاترین میزان انتشار را در خانواده آندایزینگ فراهم می کند. آنودایز شفاف بهبود متوسطی را نسبت به آلومینیوم لخت با تاثیر بصری کمتر ایجاد می کند. پوشش پودری همچنین انتشار بالا (0.85-0.95) را فراهم می کند و علاوه بر این مقاومت در برابر خوردگی را برای محفظه های دارای رتبه در فضای باز بهبود می بخشد.

رتبه بندی IP، آب بندی و معاوضه عملکرد حرارتی

محفظه های هیت سینک مهر و موم شده - دارای رتبه IP54، IP65، IP67 یا بالاتر - یک کشش اساسی در طراحی حرارتی دارند: الزامات آب بندی که از قطعات الکترونیکی در برابر گرد و غبار و رطوبت محافظت می کند همچنین از ورود هوا به داخل محفظه برای خنک سازی همرفتی اجزای داخلی جلوگیری می کند. هر وات گرمای تولید شده در داخل یک محفظه مهر و موم شده باید از طریق دیواره محفظه هدایت شود و از سطح بیرونی پخش شود. این مشکل طراحی حرارتی را از مدیریت جریان هوای داخلی به حداقل کردن مقاومت رسانای دیواره محفظه و به حداکثر رساندن سطح همرفتی و تابشی بیرونی تغییر می‌دهد.

برای محفظه های هیت سینک مهر و موم شده، اتصال حرارتی مستقیم اجزاء به پایه مسکن - به جای نصب قطعات بر روی PCB که سپس در داخل محفظه قرار می گیرد - به طور چشمگیری تعداد رابط های حرارتی در مسیر هدایت را کاهش می دهد. ماژول‌های LED، ماسفت‌ها و سایر اجزای با اتلاف زیاد اغلب مستقیماً با استفاده از TIM و پیچ‌های گیره روی یک لنت ماشین‌کاری شده در قسمت داخلی پایه محفظه نصب می‌شوند و یک مسیر رسانش کوتاه از اتصال از طریق بسته از طریق TIM به دیواره محفظه و سپس به باله‌های بیرونی ایجاد می‌کنند.

انتخاب مواد واشر هم بر قابلیت اطمینان آب بندی و هم بر عملکرد حرارتی در رابط تأثیر می گذارد. واشرهای سیلیکونی ویژگی‌های مجموعه فشرده‌سازی خود را در محدوده دمایی معمولی الکترونیک در فضای باز (40- تا 85 درجه سانتیگراد) حفظ می‌کنند و در دماهای بالا خارج نمی‌شوند. واشرهای فیبر فشرده یا فوم هزینه کمتری دارند، اما در طول زمان آرامش فشرده‌سازی بیشتری را نشان می‌دهند، که می‌تواند یکپارچگی رتبه IP را در تاسیساتی که تحت سیکل حرارتی قرار دارند کاهش دهد. برای محفظه های هیت سینک در محیط های بیرونی، واشرهای سیلیکونی با سختی Shore A 40-60 مشخصات استاندارد را نشان می دهند.