หลักการออกแบบความร้อนของแหล่งจ่ายไฟสลับกำลังสูง

1. ทำไมผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์จึงต้องการโซลูชันระบายความร้อน

ชิปของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์มีการบูรณาการสูง โดยมีข้อกำหนดด้านการทำงานที่มากขึ้นและความต้องการด้านปริมาณที่น้อยลงและน้อยลง ส่วนประกอบในปัจจุบันกำลังพัฒนาอย่างรวดเร็วสู่การย่อขนาด ฟังก์ชันการทำงานสูง และประสิทธิภาพสูง ส่วนประกอบที่มีประสิทธิภาพสูงจะสร้างความร้อนจำนวนมากที่ความเร็วสูง และความร้อนนี้จะต้องถูกกำจัดออกทันทีเพื่อให้แน่ใจว่าส่วนประกอบสามารถทำงานได้ในอุณหภูมิการทำงานปกติ ทำงานอย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด ดังนั้นเทคโนโลยีการนำความร้อนที่เกี่ยวข้องจึงถูกท้าทายอย่างต่อเนื่องกับการพัฒนาของอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์

2. ประเภทของวัสดุระบายความร้อน:

ทอง เงิน เหล็ก ทองแดง อลูมิเนียม อลูมิเนียมอัลลอยด์ แผ่นซิลิโคน ฯลฯ

3. หลักการกระจายความร้อน

รูปแบบการกระจายความร้อนของหม้อน้ำส่วนใหญ่รวมถึงการแผ่รังสีและการพาความร้อน

การถ่ายเทความร้อนด้วยรังสี: พลังงานความร้อนถูกส่งผ่านในรูปของการแผ่รังสีโดยไม่มีตัวกลางใด ๆ สามารถส่งผ่านได้ในสถานะสุญญากาศ เช่น พลังงานความร้อนของดวงอาทิตย์ถูกส่งผ่านไปยังโลกผ่านจักรวาล

การถ่ายเทความร้อนแบบพาความร้อน: พลังงานความร้อนจะถูกส่งผ่านอากาศหรือสื่ออื่นๆ เช่น การพาความร้อนจากหม้อน้ำเพื่อให้ความร้อนแก่อากาศ อากาศทำให้ทุกอย่างในห้องร้อนขึ้น และการเคลื่อนที่ของอากาศส่วนใหญ่อาศัยการเคลื่อนที่ของอากาศเพื่อกระจายพลังงานความร้อน

เครื่องแผ่รังสีในความหมายดั้งเดิมหมายถึงเครื่องแผ่รังสีที่คิดเป็นสัดส่วนสัมพัทธ์ของการกระจายความร้อนทั้งหมด ในปัจจุบัน หม้อน้ำแบบกระจายทั่วไปส่วนใหญ่เป็นเหล็กหล่อ หม้อน้ำแบบเสาเหล็ก และหม้อน้ำคอมโพสิตทองแดง-อะลูมิเนียม และอื่น ๆ ในหมู่พวกเขา พลังงานความร้อนที่ส่งผ่านโดยการแผ่รังสีมีสัดส่วนเพียง 30 เปอร์เซ็นต์เท่านั้น และพลังงานความร้อนอีก 70 เปอร์เซ็นต์ถูกส่งโดยการพาความร้อน หม้อน้ำพาความร้อนเป็นหม้อน้ำที่ไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อนโดยทั่วไป (หรือเล็กมาก) เช่นหม้อน้ำพาท่อทองแดงทอด มันร้อนขึ้นอย่างสะดวกสบายและรวดเร็วกว่าหม้อน้ำแบบกระจาย

B. วิธีการกระจายความร้อน ได้แก่ การกระจายความร้อนด้วยรังสี การกระจายความร้อนด้วยการนำ การกระจายความร้อนแบบพา และการกระจายความร้อนแบบระเหย

ความร้อนที่เกิดจากเนื้อเยื่อและอวัยวะต่าง ๆ ของร่างกายจะกระจายไปยังทุกส่วนของร่างกายอย่างสม่ำเสมอพร้อมกับการไหลเวียนของเลือด เมื่อเลือดไหลผ่านหลอดเลือดของผิวหนัง ร้อยละ 90 ของความร้อนทั้งหมดจะถูกกระจายโดยผิวหนัง ดังนั้นผิวหนังจึงเป็นส่วนสำคัญของร่างกายในการระบายความร้อน นอกจากนี้ยังมีความร้อนส่วนน้อยซึ่งกระจายออกจากร่างกายทางปอด ไต และทางเดินอาหารด้วยการหายใจ ปัสสาวะ และอุจจาระ

(1) วิธีการกระจายความร้อน - ส่วนใหญ่เป็นวิธีทางกายภาพ

1. การแผ่รังสี การแผ่รังสีหมายถึงการที่ร่างกายกระจายความร้อนโดยการแผ่รังสีอินฟราเรดออกมา เมื่ออุณหภูมิของผิวหนังสูงกว่าอุณหภูมิโดยรอบ ความร้อนในร่างกายจะกระจายออกไปโดยการแผ่รังสี การกระจายความร้อนของรังสีเกี่ยวข้องกับปัจจัยต่างๆ เช่น อุณหภูมิผิวหนัง อุณหภูมิแวดล้อม และพื้นที่แผ่รังสีที่มีประสิทธิภาพของร่างกาย โดยทั่วไป การกระจายความร้อนจากรังสีคิดเป็นร้อยละ 40 ของการกระจายความร้อนทั้งหมด แน่นอนว่าหากอุณหภูมิแวดล้อมสูงกว่าอุณหภูมิผิวหนัง ร่างกายจะดูดซับความร้อนที่แผ่ออกมา คนงานเหล็กทำงานอยู่หน้าเตาหลอม เช่นเดียวกับชาวนาที่ทำงานในทุ่งภายใต้แสงอาทิตย์ในฤดูร้อน

2. การนำความร้อนและการพาความร้อน การนำความร้อนเป็นวิธีที่ร่างกายกระจายความร้อนโดยการถ่ายโอนพลังงานจลน์ของโมเลกุล เมื่อร่างกายมนุษย์สัมผัสโดยตรงกับวัตถุที่เย็นกว่าผิวหนัง (เช่น เสื้อผ้า เตียง เก้าอี้ ฯลฯ) ความร้อนจะถ่ายเทจากร่างกายไปยังวัตถุเหล่านี้ ทางคลินิกใช้หลักการนี้ในการประคบน้ำแข็ง ประคบน้ำแข็ง และวิธีอื่นๆ เพื่อระบายความร้อนให้กับผู้ป่วยที่มีไข้สูง

C การแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างหม้อน้ำกับสิ่งแวดล้อม

หลังจากที่ความร้อนถูกถ่ายโอนไปยังด้านบนของหม้อน้ำแล้ว จำเป็นต้องกระจายความร้อนที่ส่งผ่านไปยังสภาพแวดล้อมโดยรอบโดยเร็วที่สุด สำหรับหม้อน้ำระบายความร้อนด้วยอากาศนั้นเป็นการแลกเปลี่ยนความร้อนกับอากาศโดยรอบ ในขณะนี้ ความร้อนถูกถ่ายโอนระหว่างตัวกลางที่แตกต่างกันสองตัว และตามสูตรคือ Q= XAX ΔT โดยที่ ΔT คือความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างตัวกลางสองตัว นั่นคือ ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างหม้อน้ำกับอากาศโดยรอบ ; และคือความแตกต่างของอุณหภูมิของของไหล ค่าการนำความร้อน หลังจากกำหนดวัสดุฮีตซิงก์และองค์ประกอบของอากาศแล้ว จะเป็นค่าคงที่ A ที่สำคัญที่สุดคือพื้นที่สัมผัสระหว่างตัวระบายความร้อนและอากาศ ภายใต้สมมติฐานว่าเงื่อนไขอื่นๆ ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง เช่น ปริมาตรของฮีตซิงก์ โดยทั่วไปจะมี อย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนรูปร่างของหม้อน้ำ การเพิ่มพื้นที่สัมผัสกับอากาศ และเพิ่มพื้นที่แลกเปลี่ยนความร้อน เป็นสิ่งที่มีประสิทธิภาพ หมายถึงการปรับปรุงประสิทธิภาพการกระจายความร้อน , เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ โดยทั่วไปพื้นที่ผิวจะเพิ่มขึ้นโดยการออกแบบครีบเสริมด้วยการทำให้พื้นผิวหยาบหรือเกลียว

หลังจากที่ถ่ายเทความร้อนไปยังอากาศแล้ว อุณหภูมิของอากาศที่สัมผัสกับแผ่นระบายความร้อนจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ในเวลานี้ อากาศร้อนควรนำความร้อนออกไปให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ด้วยอากาศเย็นโดยรอบผ่านการแลกเปลี่ยนความร้อน เช่น การพาความร้อน สำหรับหม้อน้ำระบายความร้อนด้วยอากาศ วิธีการที่สำคัญที่สุดคือการเพิ่มความเร็วของการไหลของอากาศและใช้พัดลมเพื่อให้เกิดการพาความร้อนแบบบังคับ ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการออกแบบพัดลมและความเร็วลม ประสิทธิภาพของพัดลมหม้อน้ำ (เช่น การไหล แรงดันลม) ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับเส้นผ่านศูนย์กลางของใบพัดลม ความยาวแกน ความเร็วของพัดลม และรูปร่างของใบพัดลม การไหลของพัดลมส่วนใหญ่อยู่ใน CFM (ระบบอิมพีเรียล, ลูกบาศก์ฟุต/นาที) และ CFM อยู่ที่ประมาณ 0.028 มม.3/นาที

หม้อน้ำอลูมิเนียมบริสุทธิ์

หม้อน้ำอลูมิเนียมบริสุทธิ์เป็นหม้อน้ำที่พบมากที่สุดในยุคแรก กระบวนการผลิตนั้นง่ายและต้นทุนต่ำ จนถึงขณะนี้หม้อน้ำอลูมิเนียมบริสุทธิ์ยังคงครองตลาดส่วนใหญ่อยู่ เพื่อเพิ่มพื้นที่ระบายความร้อนของครีบ วิธีการประมวลผลที่ใช้บ่อยที่สุดสำหรับหม้อน้ำอลูมิเนียมบริสุทธิ์คือเทคโนโลยีการอัดขึ้นรูปอลูมิเนียม และตัวชี้วัดหลักสำหรับการประเมินหม้อน้ำอลูมิเนียมบริสุทธิ์คือความหนาของฐานหม้อน้ำและอัตราส่วน Pin-Fin . Pin หมายถึงความสูงของครีบระบายความร้อน และ Fin หมายถึงระยะห่างระหว่างครีบสองตัวที่อยู่ติดกัน อัตราส่วน Pin-Fin คือความสูงของ Pin (ไม่รวมความหนาของฐาน) หารด้วย Fin ยิ่งอัตราส่วน Pin-Fin มากเท่าใด พื้นที่ระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพของหม้อน้ำก็จะยิ่งมากขึ้น และเทคโนโลยีการอัดขึ้นรูปอะลูมิเนียมก็ก้าวหน้ามากขึ้นเท่านั้น

หม้อน้ำทองแดงบริสุทธิ์

ค่าการนำความร้อนของทองแดงมีค่าเป็น 1.69 เท่าของอะลูมิเนียม ดังนั้นภายใต้เงื่อนไขอื่นๆ ที่เหมือนกัน ฮีตซิงก์ทองแดงบริสุทธิ์สามารถนำความร้อนออกจากแหล่งความร้อนได้เร็วกว่า อย่างไรก็ตามเนื้อทองแดงยังเป็นปัญหาอยู่ "ฮีตซิงก์ทองแดงบริสุทธิ์" ที่โฆษณาจำนวนมากไม่ใช่ทองแดงแท้ 100 เปอร์เซ็นต์ ในรายชื่อทองแดง ทองแดงที่มีปริมาณทองแดงมากกว่า 99 เปอร์เซ็นต์เรียกว่าทองแดงไร้กรด และทองแดงเกรดถัดไปคือทองแดง Dan ที่มีปริมาณทองแดงน้อยกว่า 85 เปอร์เซ็นต์ ฮีตซิงก์ทองแดงบริสุทธิ์ส่วนใหญ่ในตลาดปัจจุบันมีปริมาณทองแดงอยู่ระหว่างทั้งสอง ปริมาณทองแดงของหม้อน้ำทองแดงบริสุทธิ์บางรุ่นไม่ถึง 85 เปอร์เซ็นต์ด้วยซ้ำ แม้ว่าราคาจะต่ำมาก แต่ค่าการนำความร้อนจะลดลงอย่างมาก ซึ่งส่งผลต่อการกระจายความร้อน นอกจากนี้ ทองแดงยังมีข้อบกพร่องที่เห็นได้ชัด เช่น ต้นทุนสูง การประมวลผลที่ยาก และฮีตซิงก์ที่มีมวลมากเกินไป ซึ่งเป็นอุปสรรคต่อการใช้ฮีตซิงก์ทองแดงทั้งหมด ความแข็งของทองแดงแดงนั้นไม่ดีเท่าของอลูมิเนียมอัลลอยด์ AL6063 และประสิทธิภาพของการประมวลผลเชิงกลบางอย่าง (เช่น การเซาะร่อง) ไม่ดีเท่าของอลูมิเนียม จุดหลอมเหลวของทองแดงสูงกว่าอลูมิเนียมมาก ซึ่งไม่เอื้อต่อการอัดขึ้นรูป (ExtrusiON) เป็นต้น

แม้ว่าวัสดุฮีตซิงก์ที่ใช้บ่อยที่สุดคือโลหะผสมทองแดงและอะลูมิเนียม แต่อะลูมิเนียมอัลลอยนั้นง่ายต่อการแปรรูปและมีต้นทุนต่ำ และเป็นวัสดุที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุด ค่าการนำความร้อนที่สูงขึ้นของทองแดงทำให้ความสามารถในการดูดซับความร้อนในทันทีดีกว่าของโลหะผสมอลูมิเนียม ความเร็วช้ากว่าอลูมิเนียมอัลลอยด์ ดังนั้น ไม่ว่าทองแดงบริสุทธิ์ อลูมิเนียมบริสุทธิ์ หรือหม้อน้ำอลูมิเนียมอัลลอยด์ ล้วนมีข้อบกพร่องร้ายแรง: เนื่องจากใช้วัสดุเพียงชนิดเดียว แม้ว่าความสามารถในการกระจายความร้อนพื้นฐานจะสามารถตอบสนองความต้องการของการกระจายความร้อนเพียงเล็กน้อย แต่ก็ไม่สามารถสร้างความสมดุลให้กับการนำความร้อนได้ดีนัก . ข้อกำหนดสองประการของความจุและความจุความร้อนค่อนข้างล้นหลามในบางโอกาสที่ต้องการการกระจายความร้อนสูง

เทคโนโลยีการเชื่อมประสานทองแดงกับอะลูมิเนียม

หลังจากพิจารณาข้อบกพร่องของทองแดงและอลูมิเนียมตามลำดับแล้ว หม้อน้ำระดับไฮเอนด์บางรุ่นในตลาดมักจะใช้กระบวนการผลิตแบบผสมระหว่างทองแดงและอลูมิเนียม แผ่นระบายความร้อนเหล่านี้มักใช้ฐานโลหะทองแดง ในขณะที่ครีบระบายความร้อนทำจากอลูมิเนียมอัลลอยด์ แน่นอนว่านอกจากฐานทองแดงแล้วยังมีวิธีการเช่นการใช้เสาทองแดงสำหรับฮีตซิงก์ซึ่งเป็นหลักการเดียวกัน ด้วยการนำความร้อนสูง พื้นผิวทองแดงด้านล่างสามารถดูดซับความร้อนที่ปล่อยออกมาจาก CPU ได้อย่างรวดเร็ว ครีบอลูมิเนียมสามารถสร้างเป็นรูปทรงที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการกระจายความร้อนด้วยกระบวนการที่ซับซ้อน และให้พื้นที่เก็บความร้อนขนาดใหญ่และปล่อยออกมาอย่างรวดเร็ว พบความสมดุลในทุกด้าน

ความร้อนจะกระจายออกจากแกน CPU ไปยังพื้นผิวของฮีตซิงก์ ซึ่งเป็นกระบวนการนำความร้อน สำหรับฐานของฮีตซิงก์ เนื่องจากสัมผัสโดยตรงกับพื้นที่ขนาดเล็กที่มีแหล่งความร้อนสูง ฐานจึงจำเป็นต้องนำความร้อนออกไปอย่างรวดเร็ว การใช้วัสดุที่มีค่าการนำความร้อนสูงกว่าสำหรับฮีตซิงก์จะมีประโยชน์มากในการปรับปรุงการนำความร้อน สามารถดูได้จากตารางเปรียบเทียบระบบการนำความร้อน ตัวอย่างเช่น ค่าการนำความร้อนของอะลูมิเนียมคือ 237W/mK และค่าการนำความร้อนของทองแดงคือ 401W/mK เมื่อเปรียบเทียบหม้อน้ำที่มีปริมาตรเท่ากัน น้ำหนักของทองแดงจะหนักเป็น 3 เท่าของอะลูมิเนียม ในขณะที่ความร้อนจำเพาะของอะลูมิเนียมจะอยู่ที่ 3 เท่า มีปริมาณมากกว่าทองแดงเพียง 2.3 เท่า ดังนั้นภายใต้ปริมาตรที่เท่ากัน หม้อน้ำทองแดงจึงสามารถเก็บความร้อนได้มากกว่าหม้อน้ำอลูมิเนียม และทำความร้อนได้ช้ากว่า ด้วยความหนาของฐานฮีตซิงก์ที่เท่ากัน ทองแดงไม่เพียงแต่สามารถขจัดอุณหภูมิของแหล่งความร้อนเช่น CPU Die ได้อย่างรวดเร็วเท่านั้น แต่ยังมีการเพิ่มอุณหภูมิของตัวมันเองที่ช้ากว่าฮีตซิงก์อะลูมิเนียมอีกด้วย ดังนั้นทองแดงจึงเหมาะสำหรับทำพื้นผิวด้านล่างของฮีตซิงก์มากกว่า

อย่างไรก็ตาม การรวมกันของโลหะทั้งสองนี้ค่อนข้างยาก และความสัมพันธ์ระหว่างทองแดงกับอะลูมิเนียมไม่ดี ความต้านทานความร้อน). ในการออกแบบและการผลิตจริง ผู้ผลิตมักจะพยายามลดความต้านทานความร้อนของอินเทอร์เฟซให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ และหลีกเลี่ยงจุดอ่อน ซึ่งมักจะสะท้อนถึงความสามารถในการออกแบบและกระบวนการผลิตของผู้ผลิต

4. ตัวกลางความร้อน - ซิลิกาเจลนำความร้อน

ก. ความต้านทานความร้อนคืออะไร?

ที่เรียกว่า "ความต้านทานความร้อน" (ความต้านทานความร้อน) หมายถึงพารามิเตอร์ที่ครอบคลุมซึ่งสะท้อนถึงความสามารถในการป้องกันการถ่ายเทความร้อน แนวคิดของการต้านทานความร้อนนั้นคล้ายกันมากกับความต้านทาน และหน่วยก็คล้ายกันเช่นกัน - องศา /W นั่นคือความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างปลายทั้งสองของเส้นทางการนำความร้อนเมื่อกำลังการถ่ายเทความร้อนอย่างต่อเนื่องของวัตถุคือ 1W .

ข. ความต้านทานความร้อนของอากาศมีค่ามากที่สุดในธรรมชาติ และมีค่าใกล้เคียงกับ 0.03W/mK;

ค. เติมช่องว่างระหว่างตัวทำความร้อนและตัวระบายความร้อนที่เป็นโลหะเพื่อลดอากาศ เพื่อให้ตัวทำความร้อนและตัวระบายความร้อนแสดงการกระจายความร้อนแบบพาความร้อนโดยตรง

ง. แผ่นซิลิโคนนำความร้อนยังสามารถกระจายความร้อนทางอ้อม กล่าวคือ สัมผัสภายนอก จึงเรียกว่าฮีตซิงก์

Sinda Thermal เป็นผู้ผลิตฮีตซิงก์ชั้นนำ เราเป็นเจ้าของทีมผู้เชี่ยวชาญด้านการระบายความร้อนและสิ่งอำนวยความสะดวกและอุปกรณ์ที่แม่นยำมากมาย เราสามารถเสนอราคาที่แข่งขันได้มากที่สุดและฮีตซิงก์คุณภาพเยี่ยม โปรดติดต่อเราได้อย่างอิสระหากคุณมีข้อกำหนดด้านความร้อน