Vỏ tản nhiệt: Giải thích về vật liệu, sản xuất và thiết kế tản nhiệt

Vỏ tản nhiệt : Khi vỏ bọc trở thành một phần của hệ thống quản lý nhiệt

Vỏ tản nhiệt kết hợp hai chức năng thường được xử lý bởi các bộ phận riêng biệt: nó đồng thời đóng vai trò là vỏ kết cấu của một bộ phận điện tử và là đường dẫn tản nhiệt chính cho các bộ phận bên trong nó. Thay vì gắn tản nhiệt riêng biệt vào một bộ phận rồi đặt cụm đó vào trong một khung riêng biệt, vỏ tản nhiệt tích hợp các cánh tản nhiệt, kênh hoặc hình học tiêu tán khác trực tiếp vào thành hoặc đế của vỏ, biến thân vỏ thành giải pháp quản lý nhiệt.

Cách tiếp cận này đặc biệt phổ biến trong trình điều khiển đèn LED, bộ chuyển đổi nguồn, bộ điều khiển động cơ, thiết bị chiếu sáng công nghiệp và vỏ điện tử ngoài trời, nơi không gian ở mức bảng mạch bị hạn chế, nơi vỏ phải được bịt kín để chống xâm nhập và nơi tản nhiệt bên trong riêng biệt sẽ tạo ra vùng chết luồng khí hoặc yêu cầu quạt mà ứng dụng không thể đáp ứng. Thiết kế nhiệt và cơ học của vỏ tản nhiệt không thể tách rời — việc tối ưu hóa một trong hai yêu cầu trong khi bỏ qua yếu tố kia sẽ tạo ra một sản phẩm không đáp ứng được một trong hai yêu cầu.

Vật liệu được sử dụng trong thiết kế vỏ tản nhiệt

Lựa chọn vật liệu cho vỏ tản nhiệt là quyết định thiết kế có ý nghĩa quan trọng nhất vì nó đồng thời đặt ra mức trần về độ dẫn nhiệt, xác định các quy trình sản xuất có sẵn cũng như thiết lập trọng lượng cơ bản và cơ cấu chi phí của bộ phận hoàn thiện.

Hợp kim nhôm

Nhôm là vật liệu chủ đạo cho các ứng dụng vỏ tản nhiệt trên hầu hết các phân khúc thị trường. Độ dẫn nhiệt của hợp kim nhôm thông thường nằm trong khoảng 130 và 210 W/m·K tùy thuộc vào hợp kim và nhiệt độ — thấp hơn đáng kể so với nhôm nguyên chất (237 W/m·K) nhưng vượt trội hơn nhiều so với thép, kẽm hoặc nhựa kỹ thuật. Hai hợp kim được chỉ định thường xuyên nhất là:

• 6063-T5 — hợp kim ép đùn tiêu chuẩn dành cho các cấu hình tản nhiệt, có độ dẫn nhiệt khoảng 200 W/m·K và khả năng hoàn thiện bề mặt tuyệt vời. Hàm lượng silicon thấp hơn so với 6061 làm cho nó phù hợp hơn với các mặt cắt đùn phức tạp có vây mỏng. Phần lớn vỏ tản nhiệt ép đùn cho đèn LED và thiết bị điện tử công suất sử dụng hợp kim 6063 hoặc tương đương (ví dụ: EN AW-6063 ở Châu Âu).
• ADC12 / A380 — hợp kim đúc khuôn có hàm lượng silicon cao có độ dẫn nhiệt khoảng 90–100 W/m·K. Độ dẫn điện thấp hơn so với 6063 là sự đánh đổi để có được hình dạng ba chiều phức tạp mà phương pháp đúc khuôn cho phép — các trùm lắp tích hợp, tính năng đầu vào cáp và các vây cắt xén mà quá trình ép đùn không thể tạo ra. Vỏ tản nhiệt bằng nhôm đúc là tiêu chuẩn trong thiết bị điện tử ô tô, bộ điều khiển động cơ công nghiệp và vỏ có chỉ số IP cao.

đồng

đồng offers thermal conductivity of approximately 385–400 W/m·K — gần gấp đôi so với nhôm — nhưng mật độ gấp ba lần và chi phí vật liệu cao hơn đáng kể. Vỏ tản nhiệt hoàn toàn bằng đồng rất hiếm do trọng lượng và chi phí, nhưng các miếng chèn bằng đồng, buồng hơi hoặc ống dẫn nhiệt được nhúng trong vỏ nhôm là một phương pháp kết hợp được thiết lập tốt cho các ứng dụng trong đó tải nhiệt của một bộ phận cụ thể vượt quá mức mà một thiết kế hoàn toàn bằng nhôm có thể xử lý mà không vượt quá giới hạn nhiệt độ mối nối.

Polyme dẫn nhiệt

Các hợp chất polyme dẫn nhiệt - điển hình là nylon, PPS hoặc LCP chứa đầy boron nitrit, nhôm nitrit hoặc sợi carbon - đạt được độ dẫn nhiệt trong phạm vi 1–20 W/m·K , có độ lớn thấp hơn nhôm nhưng cao hơn đáng kể so với nhựa kỹ thuật tiêu chuẩn (0,1–0,3 W/m·K). Lợi thế cạnh tranh của chúng là trong các ứng dụng yêu cầu cách ly điện của bề mặt vỏ, giảm trọng lượng vượt quá những gì nhôm có thể đạt được và tự do thiết kế khuôn ép phun. Đèn LED âm trần và bộ nguồn điện tử tiêu dùng là những lĩnh vực ứng dụng phổ biến nhất cho vỏ polyme dẫn nhiệt.

Phương pháp sản xuất và ý nghĩa nhiệt của chúng

Quy trình sản xuất được sử dụng để sản xuất vỏ tản nhiệt không chỉ xác định các lựa chọn về chi phí và hình học mà còn cả mật độ cánh tản nhiệt có thể đạt được, độ dày thành tối thiểu và — quan trọng — tính dị hướng của độ dẫn nhiệt qua bộ phận.

Đùn

Đùn nhôm là phương pháp sản xuất vỏ tản nhiệt hiệu quả nhất vì nó sử dụng hợp kim dòng 6063 có độ dẫn điện cao và tạo ra mặt cắt ngang liên tục với các cánh tản nhiệt dày đặc, đồng đều. Cấu hình ép đùn được cắt theo chiều dài và được gia công để lắp đặt các tính năng và điểm vào cáp. Hạn chế là mặt cắt ngang phải đồng nhất dọc theo trục đùn - các tính năng yêu cầu thay đổi theo hướng Z phải được thêm vào bằng gia công thứ cấp. Đối với các vỏ về cơ bản là hình lăng trụ - vỏ hình chữ nhật hoặc hình trụ có các cánh ở bên ngoài - việc ép đùn hầu như luôn là quy trình tối ưu trên cả cơ sở nhiệt và chi phí.

Đúc khuôn

Đúc khuôn áp suất bằng hợp kim ADC12 hoặc A380 tạo ra hình học vỏ ba chiều mà phương pháp ép đùn không thể đạt được, với độ lặp lại chiều cao và gia công thứ cấp tối thiểu để sản xuất hàng loạt. Mức giảm độ dẫn nhiệt của hợp kim đúc silicon cao (~96 W/m·K so với ~200 W/m·K đối với 6063) phải được bù bằng cách tăng diện tích bề mặt vây hoặc bằng cách chấp nhận nhiệt độ vận hành cao hơn ở trạng thái ổn định. Đối với các ứng dụng mà hình dạng vỏ được điều khiển bởi các yêu cầu cơ học hoặc xếp hạng IP thay vì tối ưu hóa nhiệt, đúc khuôn thường là quy trình thích hợp. Độ dày thành tối thiểu khi đúc khuôn là khoảng 1,5–2,0 mm đối với nhôm; tỷ lệ khung hình vây được giới hạn ở khoảng 5: 1 mà không có biến chứng về góc nháp.

Gia công CNC

Vỏ tản nhiệt được gia công từ phôi thép 6061-T6 hoặc 6063-T5 mang lại sự tự do hình học cao nhất và sử dụng cùng loại hợp kim có độ dẫn điện cao như ép đùn. Chúng là phương pháp tiêu chuẩn dành cho nguyên mẫu, sản xuất khối lượng thấp và các ứng dụng yêu cầu dung sai kích thước rất chặt chẽ trên các bề mặt tiếp xúc. Đơn giá theo khối lượng cao hơn đáng kể so với ép đùn hoặc đúc khuôn, nhưng việc gia công cho phép hình dạng vây - bao gồm các cánh tản nhiệt và mảng chốt được phay - đạt được mật độ vây và tỷ lệ khung hình vượt xa những gì mà quá trình ép đùn hoặc đúc có thể tạo ra. Đặc biệt, gia công vây trượt có thể tạo ra các vây mỏng tới 0,2 mm với tỷ lệ khung hình trên 40:1, đạt được mật độ diện tích bề mặt đạt đến giới hạn lý thuyết để làm mát đối lưu tự nhiên.

So sánh quy trình sản xuất

Nguyên tắc thiết kế tản nhiệt cho vỏ tản nhiệt

Thiết kế vỏ tản nhiệt hiệu quả đòi hỏi phải quản lý toàn bộ chuỗi kháng nhiệt từ điểm nối đến môi trường xung quanh — chứ không chỉ tối đa hóa diện tích bề mặt cánh tản nhiệt. Mỗi giai đoạn trong chuỗi góp phần tạo ra điện trở và liên kết yếu nhất đặt ra giới hạn về nhiệt độ điểm nối có thể đạt được bất kể các giai đoạn khác được tối ưu hóa tốt đến mức nào.

Chuỗi kháng nhiệt

Đối với một bộ phận được gắn bên trong vỏ tản nhiệt, đường dẫn nhiệt sẽ chạy: điểm nối → gói thành phần → vật liệu giao diện nhiệt (TIM) → đế vỏ → vây vỏ → không khí xung quanh. Tổng điện trở nhiệt tiếp giáp với môi trường xung quanh (θ _à ) là tổng của tất cả các điện trở trong chuỗi này. Trong vỏ tản nhiệt được thiết kế tốt, điện trở chiếm ưu thế thường là điện trở đối lưu ở bề mặt vây - bề mặt tiếp xúc giữa nhôm và không khí. Giảm lực cản đó thông qua việc tăng diện tích bề mặt vây, khoảng cách vây được tối ưu hóa hoặc đối lưu cưỡng bức mang lại sự cải thiện lớn nhất về nhiệt độ mối nối.

Vật liệu tiếp xúc nhiệt giữa bộ phận và đế vỏ là nguồn điện trở thường bị đánh giá thấp. Tấm TIM thay đổi pha tiêu chuẩn có độ dẫn nhiệt khoảng 3–6 W/m·K; tấm than chì cao cấp đạt 10–15 W/m·K; mỡ tản nhiệt được sử dụng tốt có thể đạt được 8–12 W/m·K dưới áp suất kẹp vừa đủ. Việc chỉ định vật liệu vỏ có độ dẫn cao trong khi sử dụng TIM kém là một lỗi thiết kế phổ biến làm hạn chế hiệu suất ở giai đoạn tiếp giáp với vỏ trước khi hình dạng của vỏ thậm chí trở nên phù hợp.

Hình học đối lưu tự nhiên và đối lưu cưỡng bức

Hình dạng vây của vỏ tản nhiệt phải phù hợp với chế độ luồng không khí của môi trường lắp đặt. Đối lưu tự nhiên - luồng không khí được điều khiển bằng sức nổi không có quạt - là giả định mặc định cho các khu vực kín hoặc được xếp hạng IP. Dưới sự đối lưu tự nhiên, khoảng cách vây tối ưu thường là 6–12 mm cho vây dọc; khoảng cách hẹp hơn tạo ra hiệu ứng ống khói làm giảm thay vì tăng luồng không khí qua các kênh vây khi các lớp ranh giới từ các vây liền kề hợp nhất. Chiều cao cánh tản nhiệt dưới sự đối lưu tự nhiên cũng bị hạn chế bởi hiệu ứng tương tự - các cánh tản nhiệt cao hơn khoảng 50–75 mm bắt đầu cho thấy lợi nhuận giảm dần khi nhiệt độ không khí tăng qua kênh.

Đối với vỏ có đối lưu cưỡng bức (vỏ làm mát bằng quạt), khoảng cách giữa các vây có thể giảm xuống 2–4 mm và chiều cao của vây tăng lên đáng kể do dòng cưỡng bức duy trì vận tốc qua kênh không phụ thuộc vào sức nổi. Mảng vây chốt - thay vì các tấm vây - thường được chỉ định trong vỏ tản nhiệt đối lưu cưỡng bức vì chúng ít nhạy cảm hơn với hướng luồng khí và hoạt động tốt khi góc không khí vào không thẳng hàng hoàn toàn với hướng của cánh tản nhiệt.

Bề mặt hoàn thiện và độ phát xạ

Bức xạ góp phần quan trọng vào việc tản nhiệt từ vỏ tản nhiệt trong môi trường đối lưu tự nhiên, đặc biệt là ở nhiệt độ cao. Bề mặt nhôm được gia công trần có độ phát xạ khoảng 0,05–0,10 - thực sự là một bộ tản nhiệt kém. Anodizing bề mặt vỏ làm tăng khả năng phát xạ 0,80–0,90 , có thể giảm nhiệt độ hoạt động ở trạng thái ổn định từ 5–15°C ở mức công suất của trình điều khiển LED thông thường so với lớp hoàn thiện bằng nhôm trần. Anodizing đen mang lại độ phát xạ cao nhất trong dòng anodizing; anodizing rõ ràng mang lại sự cải thiện vừa phải so với nhôm trần với ít tác động trực quan hơn. Lớp phủ bột cũng mang lại độ phát xạ cao (0,85–0,95) và còn cải thiện khả năng chống ăn mòn cho vỏ ngoài trời.

Đánh đổi xếp hạng IP, niêm phong và hiệu suất nhiệt

Vỏ tản nhiệt kín - được xếp hạng IP54, IP65, IP67 hoặc cao hơn - thể hiện độ căng thiết kế nhiệt cơ bản: yêu cầu bịt kín để bảo vệ các thiết bị điện tử khỏi bụi và hơi ẩm cũng ngăn không khí xâm nhập vào vỏ để làm mát đối lưu các bộ phận bên trong. Mỗi watt nhiệt sinh ra bên trong vỏ kín phải được dẫn qua thành vỏ và tiêu tán ra bề mặt bên ngoài. Điều này chuyển vấn đề thiết kế nhiệt từ quản lý luồng không khí bên trong sang giảm thiểu điện trở dẫn điện của tường vỏ và tối đa hóa bề mặt đối lưu và bức xạ bên ngoài.

Đối với vỏ tản nhiệt kín, liên kết nhiệt trực tiếp của các bộ phận với đế vỏ — thay vì gắn các bộ phận vào PCB rồi đặt trên các giá đỡ bên trong vỏ — làm giảm đáng kể số lượng giao diện nhiệt trong đường dẫn. Mô-đun LED, MOSFET và các thành phần có độ tiêu tán cao khác thường được gắn trực tiếp vào một tấm đệm gia công ở bên trong đế vỏ bằng cách sử dụng TIM và vít kẹp, thiết lập một đường dẫn ngắn từ điểm nối qua gói qua TIM đến thành vỏ và sau đó đến các cánh tản nhiệt bên ngoài.

Việc lựa chọn vật liệu đệm kín ảnh hưởng đến cả độ tin cậy bịt kín và hiệu suất nhiệt tại bề mặt tiếp xúc. Các miếng đệm silicon duy trì các đặc tính nén của chúng trong phạm vi nhiệt độ điển hình của thiết bị điện tử ngoài trời (−40°C đến 85°C) và không thoát khí ở nhiệt độ cao. Các miếng đệm bằng sợi hoặc bọt nén có chi phí thấp hơn nhưng cho thấy độ giãn nén lớn hơn theo thời gian, điều này có thể làm giảm tính toàn vẹn của xếp hạng IP trong các hệ thống lắp đặt chịu chu kỳ nhiệt. Đối với vỏ tản nhiệt trong môi trường ngoài trời, các miếng đệm silicon có độ cứng Shore A từ 40–60 đại diện cho thông số kỹ thuật tiêu chuẩn.