Kryt chladiča: Vysvetlenie materiálov, výroby a tepelného dizajnu

Kryt chladiča : Keď sa kryt stane súčasťou systému tepelného manažmentu

Kryt chladiča kombinuje dve funkcie, ktoré sú zvyčajne vykonávané samostatnými komponentmi: slúži súčasne ako štrukturálny kryt elektronickej zostavy a ako primárna cesta odvádzania tepla pre komponenty vo vnútri. Namiesto montáže samostatného chladiča na komponent a následného umiestnenia tejto zostavy do samostatného šasi, puzdro chladiča integruje rebrá, kanály alebo inú disipatívnu geometriu priamo do stien krytu alebo základne, čím sa samotné puzdro mení na riešenie tepelného manažmentu.

Tento prístup je bežný najmä v LED ovládačoch, výkonových konvertoroch, motorových ovládačoch, priemyselných svietidlách a vonkajších elektronických krytoch, kde je obmedzený priestor na úrovni dosky, kde kryt musí byť utesnený proti vniknutiu a kde by samostatný vnútorný chladič vytvoril mŕtve zóny prúdenia vzduchu alebo by si vyžadoval ventilátor, ktorý aplikácia nedokáže umiestniť. Tepelný a mechanický dizajn krytu chladiča sú neoddeliteľné – optimalizácia jedného a ignorovanie druhého spoľahlivo produkuje produkt, ktorý nespĺňa ani jednu požiadavku.

Materiály použité v dizajne krytu chladiča

Výber materiálu pre kryt chladiča je jedným z najdôslednejších návrhových rozhodnutí, pretože súčasne stanovuje strop tepelnej vodivosti, určuje dostupné výrobné procesy a stanovuje základnú hmotnosť a štruktúru nákladov hotového dielu.

Zliatiny hliníka

Hliník je dominantným materiálom pre aplikácie krytu chladiča prakticky vo všetkých segmentoch trhu. Tepelná vodivosť bežných hliníkových zliatin spadá medzi 130 a 210 W/m·K v závislosti od zliatiny a tvrdosti – výrazne nižšie ako čistý hliník (237 W/m·K), ale oveľa lepšie ako oceľ, zinok alebo technické plasty. Dve najčastejšie špecifikované zliatiny sú:

• 6063-T5 — štandardná extrúzna zliatina pre profily chladiča s tepelnou vodivosťou približne 200 W/m·K a vynikajúcou schopnosťou povrchovej úpravy. Jeho nižší obsah kremíka v porovnaní s 6061 ho robí vhodnejším pre zložité extrúzne prierezy s tenkými rebrami. Prevažná väčšina extrudovaných krytov chladičov pre LED a výkonovú elektroniku používa zliatiny 6063 alebo ekvivalentné zliatiny (napr. EN AW-6063 v Európe).
• ADC12 / A380 — zliatiny na tlakové liatie s vysokým obsahom kremíka s tepelnou vodivosťou približne 90–100 W/m·K. Nižšia vodivosť v porovnaní s 6063 je kompromisom za zložitú trojrozmernú geometriu, ktorú tlakové liatie umožňuje – integrované montážne výstupky, prvky káblových vstupov a podrezané rebrá, ktoré extrúzia nedokáže vyrobiť. Kryty chladiča z hliníkového tlakového odliatku sú štandardom v automobilovej elektronike, priemyselných ovládačoch motorov a krytoch s vysokým krytím IP.

Meď

Meď offers thermal conductivity of approximately 385–400 W/m·K — zhruba dvojnásobná v porovnaní s hliníkom — ale pri trojnásobnej hustote a výrazne vyšších nákladoch na materiál. Plne medené kryty chladiča sú zriedkavé kvôli hmotnosti a nákladom, ale medené vložky, parné komory alebo tepelné trubice zabudované v hliníkovom kryte sú dobre zavedeným hybridným prístupom pre aplikácie, kde tepelné zaťaženie konkrétneho komponentu presahuje to, čo dokáže celohliníkový dizajn zvládnuť bez prekročenia limitov teploty spoja.

Tepelne vodivé polyméry

Tepelne vodivé polymérne zlúčeniny – typicky nylon, PPS alebo LCP plnené nitridom bóru, nitridom hliníka alebo uhlíkovými vláknami – dosahujú tepelnú vodivosť v rozsahu 1–20 W/m·K , čo je rádovo pod hliníkom, ale výrazne nad štandardnými technickými plastmi (0,1–0,3 W/m·K). Ich konkurenčná výhoda je v aplikáciách vyžadujúcich elektrickú izoláciu povrchu krytu, zníženie hmotnosti nad rámec toho, čo môže dosiahnuť hliník, a konštrukčnú voľnosť vstrekovania. LED stropné svietidlá a napájacie zdroje spotrebnej elektroniky predstavujú najbežnejšie oblasti použitia tepelne vodivých polymérových krytov.

Výrobné metódy a ich tepelné dôsledky

Výrobný proces použitý na výrobu krytu chladiča určuje nielen náklady a možnosti geometrie, ale aj dosiahnuteľnú hustotu rebier, minimálnu hrúbku steny a – kriticky – anizotropiu tepelnej vodivosti cez diel.

Extrúzia

Extrúzia hliníka je tepelne najefektívnejší spôsob výroby krytov chladičov, pretože používa zliatiny série 6063 s vysokou vodivosťou a vytvára súvislý prierez s hustými, rovnomernými rebrami. Extrudované profily sú narezané na dĺžku a opracované pre montážne prvky a káblové vstupy. Obmedzením je, že prierez musí byť rovnomerný pozdĺž osi vytláčania – prvky, ktoré vyžadujú zmenu v smere Z, musia byť pridané sekundárnym obrábaním. Pre kryty, ktoré sú v podstate prizmatické – obdĺžnikový alebo valcový kryt s rebrami na vonkajšej strane – je extrúzia takmer vždy optimálnym procesom z tepelných aj nákladových dôvodov.

Odlievanie pod tlakom

Tlakové liatie so zliatinou ADC12 alebo A380 vytvára trojrozmerné geometrie krytu, ktoré nie je možné dosiahnuť extrúziou, s vysokou rozmerovou opakovateľnosťou a minimálnym sekundárnym obrábaním pre sériovú výrobu. Postihnutie tepelnej vodivosti zliatiny s vysokým obsahom kremíka (~96 W/m·K oproti ~200 W/m·K pre 6063) musí byť kompenzované zväčšením povrchu rebra alebo akceptovaním vyššej prevádzkovej teploty v ustálenom stave. Pre aplikácie, kde je geometria krytu riadená skôr mechanickými požiadavkami alebo požiadavkami na IP ako tepelnou optimalizáciou, je zvyčajne vhodným procesom tlakové liatie. Minimálna hrúbka steny pri tlakovom liatí je približne 1,5–2,0 mm pre hliník; pomery strán rebier sú obmedzené na približne 5:1 bez komplikácií s uhlom ponoru.

CNC obrábanie

Opracované telesá chladiča z predvalkov 6061-T6 alebo 6063-T5 ponúkajú najvyššiu geometrickú voľnosť a používajú rovnaké vysokovodivé zliatiny ako vytláčanie. Sú štandardným prístupom pre prototypy, malosériovú výrobu a aplikácie vyžadujúce veľmi tesné rozmerové tolerancie na lícovaných povrchoch. Jednotkové náklady na objem sú výrazne vyššie ako pri extrúzii alebo tlakovom liatí, ale opracovanie umožňuje geometriu rebier – vrátane skosených rebier a polí frézovaných kolíkov – ktoré dosahujú hustoty rebier a pomery strán nad rámec toho, čo môže produkovať extrúzia alebo odlievanie. Najmä obrábanie skied fin môže produkovať rebrá tenké len 0,2 mm s pomerom strán nad 40:1, čím sa dosahuje hustota povrchovej plochy, ktorá sa blíži k teoretickým limitom chladenia prirodzeným prúdením.

Porovnanie výrobného procesu

Princípy tepelného dizajnu krytov chladičov

Efektívny dizajn krytu chladiča si vyžaduje riadenie celého reťazca tepelného odporu od spoja až po okolité prostredie – nielen maximalizáciu povrchu rebier. Každý stupeň v reťazci prispieva k odporu a najslabší článok určuje limit dosiahnuteľnej teploty spojenia bez ohľadu na to, ako dobre sú optimalizované ostatné stupne.

Tepelný odporový reťazec

Pre komponent namontovaný vo vnútri krytu chladiča prebieha tepelná cesta: spoj → balík komponentov → materiál tepelného rozhrania (TIM) → základňa krytu → rebrá krytu → okolitý vzduch. Celkový tepelný odpor medzi prechodom a okolitým prostredím (θ _ja ) je súčet všetkých odporov v tomto reťazci. V dobre navrhnutom kryte chladiča je dominantným odporom zvyčajne odpor konvekcie na povrchu rebra - rozhranie medzi hliníkom a vzduchom. Zníženie tohto odporu prostredníctvom zväčšenej plochy rebier, optimalizovaného rozmiestnenia rebier alebo nútenej konvekcie prináša najväčšie zlepšenie teploty spoja.

Materiál tepelného rozhrania medzi komponentom a základňou krytu je často podceňovaným zdrojom odporu. Štandardná podložka TIM so zmenou fázy má tepelnú vodivosť približne 3–6 W/m·K; prémiový grafitový list dosahuje 10–15 W/m·K; dobre aplikované tepelné mazivo môže pri dostatočnom upínacom tlaku dosiahnuť 8–12 W/m·K. Špecifikácia materiálu krytu s vysokou vodivosťou pri použití zlého TIM je bežnou chybou návrhu, ktorá obmedzuje výkon v štádiu spojenia od prípadu ešte predtým, ako sa geometria krytu stane relevantnou.

Prirodzená konvekcia verzus nútená konvekcia geometria plutiev

Geometria rebier krytu chladiča musí zodpovedať režimu prúdenia vzduchu v prostredí inštalácie. Prirodzená konvekcia – prúdenie vzduchu poháňané vztlakom bez ventilátora – je predvoleným predpokladom pre utesnené kryty alebo kryty s krytím IP. Pri prirodzenej konvekcii je typicky optimálny rozstup rebier 6-12 mm pre vertikálne plutvy; užší rozstup vytvára komínový efekt, ktorý skôr znižuje než zvyšuje prúdenie vzduchu cez kanály rebier, keď sa hraničné vrstvy zo susedných rebier spájajú. Výška plutiev pri prirodzenej konvekcii je obmedzená rovnakým efektom – plutvy vyššie ako približne 50–75 mm začínajú vykazovať klesajúci návrat, keď teplota vzduchu stúpa cez kanál.

Pre kryty s nútenou konvekciou (ventilátorom chladené kryty) je možné zmenšiť rozstup rebier na 2–4 ​​mm a výšku rebier podstatne zvýšiť, pretože nútené prúdenie udržuje rýchlosť cez kanál nezávisle od vztlaku. Kolíkové rebrá – skôr než doskové rebrá – sú často špecifikované v krytoch chladičov s nútenou konvekciou, pretože sú menej citlivé na smer prúdenia vzduchu a fungujú dobre, keď uhol vstupného vzduchu nie je dokonale zarovnaný s orientáciou rebier.

Povrchová úprava a emisivita

Žiarenie významne prispieva k odvodu tepla z krytov chladiča v prostredí s prirodzeným prúdením vzduchu, najmä pri zvýšených teplotách. Holý opracovaný hliníkový povrch má emisivitu približne 0,05 – 0,10 – v skutočnosti je to slabý radiátor. Eloxovanie povrchu puzdra zvyšuje emisivitu do 0,80 – 0,90 , ktorý dokáže znížiť stabilnú prevádzkovú teplotu o 5–15 °C pri typických úrovniach výkonu LED ovládača v porovnaní s povrchovou úpravou z holého hliníka. Čierna anodizácia poskytuje najvyššiu emisivitu v rámci rodiny eloxovania; číre eloxovanie poskytuje mierne zlepšenie oproti holému hliníku s menším vizuálnym dopadom. Práškové lakovanie tiež poskytuje vysokú emisivitu (0,85 – 0,95) a dodatočne zlepšuje odolnosť voči korózii pre vonkajšie kryty.

Hodnoty IP, utesnenie a kompromisy medzi tepelným výkonom

Utesnené kryty chladiča – s krytím IP54, IP65, IP67 alebo vyšším – predstavujú základné tepelné konštrukčné napätie: požiadavka na tesnenie, ktorá chráni elektroniku pred prachom a vlhkosťou, tiež zabraňuje vstupu vzduchu do krytu na konvekčné chladenie vnútorných komponentov. Každý watt tepla generovaného vo vnútri utesneného krytu musí byť vedený cez stenu krytu a odvádzaný z vonkajšieho povrchu. To posúva problém tepelného dizajnu z riadenia vnútorného prúdenia vzduchu na minimalizáciu vodivého odporu steny krytu a maximalizáciu vonkajšieho konvekčného a sálavého povrchu.

Pre utesnené kryty chladiča, priame tepelné spojenie komponentov so základňou krytu - namiesto montáže komponentov na dosku plošných spojov, ktorá potom sedí na dištančných rámoch vo vnútri krytu, dramaticky znižuje počet tepelných rozhraní vo vodivej ceste. Moduly LED, MOSFET a ďalšie komponenty s vysokým rozptylom sú často namontované priamo na opracovanú podložku vo vnútri základne krytu pomocou TIM a upínacích skrutiek, čím sa vytvorí krátka vodivá cesta od spoja cez obal cez TIM k stene krytu a potom k vonkajším rebrám.

Výber materiálu tesnenia ovplyvňuje spoľahlivosť tesnenia aj tepelný výkon na rozhraní. Silikónové tesnenia si zachovávajú svoje kompresné vlastnosti v teplotnom rozsahu typickom pre vonkajšiu elektroniku (-40 °C až 85 °C) a neuvoľňujú plyny pri zvýšených teplotách. Tesnenia zo stlačených vlákien alebo peny sú lacnejšie, ale časom vykazujú väčšiu relaxáciu kompresie, čo môže znížiť integritu hodnotenia IP v inštaláciách vystavených tepelným cyklom. Pre kryty chladičov vo vonkajšom prostredí predstavujú štandardnú špecifikáciu silikónové tesnenia s tvrdosťou Shore A 40–60.