Varmeavlederdesign: Grunnleggende, prinsipper og praktiske tips

Hva er en kjøleribbe?

Varmeavledere er mekaniske enheter som forhindrer ekstrem oppvarming i en enhet ved bruk av naturlig og tvungen konveksjon. En kjøleribbe i en integrert krets hjelper til med å spre generert varme på grunn av dets høye varmeledningsevne.

Kjøleribben kjøler ned en elektrisk varmekomponent, spesielt en krafttransistor, ved å utvide varmen over overflaten og la enheten kjøles ned til en perfekt driftstemperatur. Generelt sett har de fleste produsenter ofte kjøleribber i prosessorer og transistorer med en innebygd vifte for effektivt å forhindre temperaturøkning.

Ulike typer kjøleribber

Det er to standard kjøleribbetyper basert på luftstrømstype, finneeffektivitet, orientering og materiale:

Aktive kjølerister

Disse typene er den kraftige og effektive typen som kjører på enhetens strømkilde. De bruker en tvungen konveksjonsmekanisme der væske eller luft flyttes over det varme området for å oppnå varmeoverføring i komponenter. De bruker en eller flere vifter for å tvinge luften over elementene, og sikrer gradvis avkjøling av komponenten.

Aktive varmevekslere har vifter installert ved siden av eller over kjøleribben, mens noen bruker væskekjølemekanismer. Typiske elektriske komponenter med aktive varmevekslere inkluderer GPU-kjølere, CPU-kjølere, etc.

Passive kjølerister

En passiv kjøleribbe er et vanlig alternativ som bruker naturlig konveksjon/luftstrøm for å spre varme. Den er imidlertid ikke like effektiv som en aktiv kjøleribbe. Ikke desto mindre er de vanligvis rimelige og trenger ingen ekstra elektrisk kraft for å drive en vifte eller vifte. Vanlige eksempler på komponenter med en passiv varmeveksler inkluderer mikrokontrollere, mikroprosessorer, brikkesett, etc.

Bruk av en av disse kjøleribbene resulterer i betydelig variasjon i design. For eksempel bruker aktive kjøleribber en vifte av lett materiale og trenger et mindre overflateareal for å overføre samme grad av varme som en passiv leder.

Hvorfor er kjøleribbe viktig?

En kjøleribbe er viktig i enhver elektronisk enhet fordi den bidrar til å unngå overoppheting i elektriske komponenter. Her er andre grunner til at en kjøleribbe er kritisk i elektriske produkter:

• Øker elektronisk pålitelighet. En kjøleribbe øker påliteligheten til elektroniske produkter på grunn av dens evne til å beskytte en komponent mot overoppheting eller bryte ned.
• Vedlikehold av termisk energi. Varmeavledere kontrollerer den elektriske enhetens termiske energi ved å overføre den skapte varmen fra kretskomponentene til omgivelsesluften.
• Varmegenerering. Varmeavledere er en god kilde til varmegenerering eller tilførsel i elektriske kretser når det er et fall i temperaturen.

Bortsett fra disse fordelene, er de vanligvis en integrert del av mange elektroniske enheter. For eksempel utgjør de den sentrale behandlingsenheten i datasystemer.

Vanlige varmeavlederapplikasjoner

Det finnes et omfattende utvalg av varmeavlederapplikasjoner, først og fremst innen elektroniske enheter. Årsaken er at elektroniske enheter genererer høy varme mens de fungerer og ikke kan dempe temperaturen. Varmen som genereres av disse enhetene kan påvirke halvlederens ytelse i enheten. Dermed behovet for å konstant regulere temperaturen på slike enheter for å opprettholde gunstige arbeidsforhold.

Her er noen bruksområder for kjøleribber:

Kraft forsterkere

Varmen som genereres i krafttransistorer kan føre til strømlekkasje. Denne økningen i kollektorstrømmen kan føre til høy tappet effekt, noe som forårsaker en økning i temperaturen - til slutt fører til en sløyfe av termisk løping som skader transistoren. En kjøleribbe kan imidlertid forhindre skade ved å raskt overføre varme via overflaten.

CPUer

Datamaskiner produserer betydelig varme under drift når CPU-brikkene og grafikkortene er overklokket. En kjøleribbe termisk sammenkoblet med CPU-en trekker raskt ut varmen fra brikken, flytter den over overflaten og sprer den ut i luften rundt.

Optoelektronikk

Varmeavledere brukes ofte med lysdioder (LED) og lasere, da disse enhetene ikke kan minimere driftstemperaturnivåer. Et kjølemedium er avgjørende i disse enhetene for å sikre lang levetid fordi driftstemperaturene deres påvirker levetiden.

Vanlige produksjonsteknikker for kjøleribber

Denne delen diskuterer de tre mest kompatible teknikkene for å lage kjøleribber i aluminium:

CNC Maskinering

CNC-maskinering er en allsidig teknologi som omfatter fresing, boring, sliping og dreiing. Denne maskineringsprosessen gir fleksibilitet i fremstillingen av deler i henhold til strukturen for å passe til den tiltenkte bruken. CNC-maskinering er godt egnet for å designe kjøleribber med de mest komplekse spesifikasjonene. CNC-maskinerte kjøleribber er ideelle for enheter som krever høy varmeledningsevne eller komplekse designalternativer. Denne prosessen kan imidlertid være ganske kostbar.

Ekstrudering

Ekstrudering er en typisk prosess som innebærer å tvinge materialer som aluminiumslegeringer til ønskede former. Det er den vanligste produksjonsprosessen for kjøleribber på tvers av bransjer. Ekstrudering av kjøleribber er billigere og muliggjør enkel produksjon av tilpassede kjøleribber – aluminiumslegeringer som aluminium 6063 tilbyr utmerket varmeledningsevne som er egnet for bruk i hit sink-applikasjoner. Den maksimale ekstruderingsbredden hindrer imidlertid dimensjonene til ekstruderte kjøleribber.

Die Casting

Pressstøpeprosessen løser opp aluminiumslegering til væske ved høyt trykk, hvoretter det flytende aluminiumet helles i en form. Denne prosessen tilbyr imponerende designfleksibilitet, god termisk ytelse og lave enhetskostnader for storskala produksjon. Pressstøpte kjøleribber er godt egnet for tykkere kjøleribber og naturlig konveksjon. I tillegg er denne prosessen ideell for å lage kjøleribber med tynne, sterke og komplekse design.

Termisk motstandsberegning for kjøleribbedesign

Du må forstå spesifikke termiske motstandsberegninger for å designe en kjøleribbe som passer perfekt til formålet. Det gir deg et innblikk i ytelsen til hvor godt kjøleribben vil spre varme. Så du kan beregne den termiske varmemotstanden til elektroniske komponenter ved å bruke ligningen nedenfor:

Rhs = (Tj-Tmb/P) – (Rth-jc) – Grensesnitt

• Tjunction – høyeste driftstemperatur for en elektronisk enhet i 0c
• P: Varme overført fra varmekilden
• Rth-jc: Kryss til foringsrør termisk motstand
• kinterface: Grensesnittmaterialets varmeledningsevneGrensesnitt = (tint/Ls x Ws x kinterface)
• Grensesnitt: Termisk grensesnitt materiale motstand
• Tgrensesnitt: Materialtykkelse på termisk grensesnitt
• Tambient: Omgivelseslufttemperatur ved 0c
• Ws: Varmekildens bredde
• Ls: Varmekildens lengde

Total termisk motstand refererer til motstanden mot varmeoverføring fra krysset til kabinettet, grensesnittmaterialets termiske motstand og motstand mellom omgivelsesluften og kjøleribben.

Å forstå beregningene ovenfor bidrar til å kjenne den ideelle termiske motstanden som er kompatibel med driftstemperaturen til varmen. Så det blir enkelt å inkludere disse parametrene i kjøleribbensdesignet. Enda viktigere er det at det tillater en termisk motstand som er større enn den maksimale driftstemperaturen til en halvleder. I tillegg kan du beregne kjøleribbens høyeste dimensjon for å bestemme den laveste varmekildetemperaturen.

Størrelsesberegning for kjøleribbedesign

Å bestemme dimensjonene til kjøleribben er et av de første trinnene for å beregne størrelsen. Etter å ha angitt disse dimensjonene, er det noen få beregninger forenklet ved å bruke kjøleribbekalkulatoren

• Finne konveksjonsvarme:

Qc = 2hA(Tkompent – ​​Tambient) Hvor

h = 1.42[(Tcompent – Tambient )/H ] ＾0.25

A = HL + t(2H + L)

Qc: 2hA(Tcompent – ​​Tambient)

• Du vil oppdage at det er en egen overflate hvor varme kan overføres, som bestemmer konveksjonsvarmen ved A2:

Qc = 2h²A²(Tkompent – ​​Tambient) Hvor

s = 2.71 [gβ (Tkompent – ​​Tambient)/Lαv ]

A2 = L[2(H – b) + sb] + tL

• Beregningen for å finne varmen som genereres gjennom stråling:

Qr2 = 2ϵσA2(T4compent – T4ambient )

Qr = 2ϵσA1( T4compent – ​​T4ambient 

Hvor

A2 = L(t + s) + 2(tH + sb

• Det totale antallet finner er beregnet ved:

Fn = 1 + [( Q – Qr2 – Qc2) / (Qr1 + Qc1)]

• Bredden på en finne beregnes ved:

W = (N – 1) + Nt

Tips å vurdere under design av kjøleribbe

Riktig kjøleribbedesign tilbyr en pålitelig termisk styringsløsning i en elektronisk enhet. Den passive varmekraftmekanismen i en passiv kjøleribbe skal lette sømløs varmeoverføring til omgivende luft.

Denne varmeoverføringen skjer ofte via stråling, konduksjon eller konveksjon. Noen ganger forekommer en kombinasjon av de tre varmeoverføringsmetodene. Det er viktig å vurdere følgende faktorer under design av kjøleribber for spesialtilpasset maskinering :

Egnet materiale for kjøleribbe

Materialet som brukes til kjøleribben påvirker designet betydelig. Det er forskjellige typer materialer å vurdere i dette tilfellet:

• Grensesnittmaterialer

Termiske grensesnittmaterialer omfatter materialet som fyller rommet mellom kjøleribben. De fleste produsenter bruker ofte andre materialer som glimmer enn vanlig luft. De termiske grensesnittmaterialene tilbyr elektriske komponenter lavere termisk motstand, noe som tillater deres raske termiske energispredning. Den termiske energien som skapes av den elektroniske enheten er en kombinasjon av dens komponentgenererte varme.

Det er imidlertid vanskelig å garantere en produktiv varmeoverføring fordi hver komponent har forskjellig varmemotstand. Så du må innlemme et termisk grensesnittmateriale for å sikre en vellykket varmeoverføring fra den elektroniske enheten, og minimere termisk motstand.

• Varmepumpe

På grunn av sin høye ledningsevne er kobber og aluminium typiske materialer for å lage de fleste kjøleribber. Aluminium er kostnadseffektivt og fleksibelt, noe som gjør det perfekt for bruk og enkelt å lage til kjøleribber. På den annen side har kobberkjøleribber høy korrosjonsbestandighet og varmeledningsevne. Selv om kobber er en standardlegering som brukes i kjøleribbedesign, er aluminium det mest brukte materialet. Imidlertid gir den nøye kombinasjonen av disse legeringene utmerkede resultater for kjøleribbekonstruksjon.

Form og arrangement for kjølefinner

Finner er essensielle komponenter i kjøleribber som legger til rette for rask og effektiv varmeoverføring til luften rundt. Deres form og arrangement kan påvirke strømmen av varmeenergi, mens deres rene antall og størrelse påvirker effektiviteten betydelig.

Dermed bør plasseringen eller plasseringen av disse finnene tilrettelegge for enkel og effektiv luftpassasje. Du må sørge for at finnene til kjøleribben har de beste formene, størrelsene og arrangementene for å tillate effektiv varmestrøm fra den elektriske komponenten.

Termisk motstand

Dette betyr kjøleribbens motstand mot varme som beveger seg mellom halvlederne og miljøet. Miljøet kan være en kjølevæske eller omgivelsesluft. Når du velger en kjøleribbe for enheten din, er det avgjørende å bestemme dens termiske motstand.

Veien for varmeoverføring må ha en betydelig grad av motstand mot varme. Dette avgjør hvor raskt varmeavgivelsen skjer. Termisk motstand avslører om temperaturen synker. Det garanterer effektiviteten til en kjøleribbe.

Festemetoder for kjøleribbe

Varmeavledere brukes i forskjellige enheter, først og fremst mekaniske komponenter, og festeteknikken påvirker ofte deres effektivitet ved å spre varme. Før du velger den ideelle festeteknikken, bør du vurdere enhetens mekaniske og termiske krav. Det brukes flere metoder for å feste en kjøleribbe til en elektronisk enhet. De typiske inkluderer:

• Ledningsklemmer
• Skyv pins
• Termiske bånd
• epoxy
• Plastklemmer
• Fjærbelastede skruer

Noen faktorer hindrer imidlertid kompatibiliteten til disse festeteknikkene med komponentene dine. For eksempel, selv om epoksy er et ideelt alternativ i termisk styring, har det høye kostnader og krever høyere ferdigheter. På samme måte er termobånd ikke egnet for store og tunge kjøleribber.

Konklusjon

Kjøleribbens design er grunnleggende for tilstrekkelig ytelse til kjøleribben. Varmeavledere er essensielle i elektroniske enheter; derfor må du være omhyggelig med å utforme dem. Derfor må du forstå forskjellene mellom typene kjøleribber og vurdere faktorene som hjelper i designet.

AT-Machining er din pålitelige produksjonsbedrift på forespørsel som kan hjelpe deg med optimalisering av kjøleribbens design for bedre ytelse. Vi har et team av høyt trente og dyktige ingeniører med mange års erfaring innen design og produksjon av kjøleribber. Last opp designet ditt og få et umiddelbart tilbud i dagTa gjerne kontakt med oss ​​for ditt neste prosjekt!