Heat Sink คืออะไรและความสำคัญ

ลองใช้เครื่องมือของเราเพื่อกำจัดปัญหา





ทุก ส่วนประกอบไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ ในวงจรสร้างความร้อนจำนวนหนึ่งในขณะที่วงจรทำงานโดยการจัดหาแหล่งจ่ายไฟ โดยทั่วไปอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลังสูงเช่น ทรานซิสเตอร์กำลัง และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ออปโปเช่น ไดโอดเปล่งแสง เลเซอร์สร้างความร้อนในปริมาณมากและส่วนประกอบเหล่านี้ไม่เพียงพอที่จะกระจายความร้อนเนื่องจากความสามารถในการกระจายตัวของมันต่ำมาก

ด้วยเหตุนี้ความร้อนของส่วนประกอบจึงนำไปสู่ความล้มเหลวก่อนเวลาอันควรและอาจทำให้วงจรทั้งหมดหรือประสิทธิภาพของระบบล้มเหลว ดังนั้นเพื่อที่จะเอาชนะด้านลบเหล่านี้ต้องมีฮีทซิงก์เพื่อการระบายความร้อน




Heat Sink คืออะไร?

แผ่นระบายความร้อน

แผ่นระบายความร้อน

แผ่นระบายความร้อนเป็นชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์หรืออุปกรณ์ของ วงจรอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งจะกระจายความร้อนจากส่วนประกอบอื่น ๆ (ส่วนใหญ่มาจากทรานซิสเตอร์กำลัง) ของวงจรไปยังตัวกลางโดยรอบและทำให้เย็นลงเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพความน่าเชื่อถือและหลีกเลี่ยงความล้มเหลวก่อนกำหนดของส่วนประกอบ เพื่อจุดประสงค์ในการระบายความร้อนประกอบด้วยพัดลมหรืออุปกรณ์ระบายความร้อน



หลักการระบายความร้อน

กฎการนำความร้อนของฟูริเยร์ระบุว่าหากมีการไล่ระดับอุณหภูมิในร่างกายความร้อนจะถ่ายเทจากบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงไปยังบริเวณที่มีอุณหภูมิและสามารถทำได้ในสามวิธีที่แตกต่างกันเช่นรูปแบบการแผ่รังสีและ การนำ

หลักการระบายความร้อน

หลักการระบายความร้อน

เมื่อใดก็ตามที่วัตถุสองชิ้นที่มีอุณหภูมิต่างกันมาสัมผัสกันจะเกิดการนำไฟฟ้าทำให้โมเลกุลที่เคลื่อนที่เร็วของวัตถุที่มีความร้อนสูงชนกับโมเลกุลที่เคลื่อนที่ช้าของวัตถุที่เย็นกว่าจึงถ่ายเทพลังงานความร้อนไปยังวัตถุที่เย็นกว่า และสิ่งนี้เรียกว่าการนำความร้อน

ในทำนองเดียวกันแผงระบายความร้อนจะถ่ายเทความร้อนหรือพลังงานความร้อนจากส่วนประกอบที่มีอุณหภูมิสูงไปยังตัวกลางที่มีอุณหภูมิต่ำเช่นอากาศน้ำน้ำมัน ฯลฯ โดยปกติอากาศจะใช้เป็นสื่อที่มีอุณหภูมิต่ำและถ้าใช้น้ำเป็นสื่อ จึงเรียกว่าจานเย็น


ประเภทอ่างความร้อน

แผงระบายความร้อนแบ่งออกเป็นประเภทต่างๆตามเกณฑ์ที่แตกต่างกัน ให้เราพิจารณาประเภทหลัก ๆ ได้แก่ ฮีตซิงก์แบบแอคทีฟและฮีตซิงก์แบบพาสซีฟ

ประเภทอ่างความร้อน

ประเภทอ่างความร้อน

อ่างความร้อนที่ใช้งานอยู่

โดยทั่วไปเป็นประเภทพัดลมและใช้พลังงานเพื่อการระบายความร้อนนอกจากนี้ยังสามารถเรียกได้ว่าเป็นฮีตซิงก์หรือพัดลม พัดลมถูกจัดประเภทเพิ่มเติมเป็นประเภทลูกปืนและประเภทปลอกแขน พัดลมมอเตอร์แบบลูกปืนเป็นที่ต้องการเนื่องจากอายุการใช้งานยาวนานขึ้นและมีราคาถูกกว่าเมื่อใช้งานเป็นระยะเวลานานประสิทธิภาพของชุดระบายความร้อนประเภทนี้ดีเยี่ยม แต่ไม่ใช่สำหรับการใช้งานในระยะยาวเนื่องจากประกอบด้วยชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวและ ค่อนข้างแพงเช่นกัน

Passive Heat Sinks

สิ่งเหล่านี้ไม่มีส่วนประกอบทางกลใด ๆ และทำจากหม้อน้ำอลูมิเนียมครีบ สิ่งเหล่านี้กระจายพลังงานความร้อนหรือความร้อนโดยใช้กระบวนการพาความร้อน สิ่งเหล่านี้มีความน่าเชื่อถือที่สุดมากกว่าฮีตซิงก์ที่ใช้งานอยู่และเพื่อการทำงานที่มีประสิทธิภาพของฮีตซิงก์แบบพาสซีฟขอแนะนำให้รักษาการไหลของอากาศอย่างต่อเนื่องตลอดครีบ

อลูมิเนียมระบายความร้อน

โดยทั่วไปแผงระบายความร้อนทำจากโลหะและอลูมิเนียมเป็นโลหะที่ใช้กันมากที่สุดในแผงระบายความร้อนเราตระหนักดีว่าการนำความร้อนของโลหะแต่ละชนิดนั้นแตกต่างกันการนำความร้อนของโลหะเป็นสัดส่วนกับการถ่ายเทความร้อนในอ่างความร้อน . ดังนั้นหากการนำความร้อนของโลหะเพิ่มขึ้นแสดงว่า
ความสามารถในการถ่ายเทความร้อนของแผ่นระบายความร้อนก็จะเพิ่มขึ้นเช่นกัน

อลูมิเนียมระบายความร้อน

อลูมิเนียมระบายความร้อน

การนำความร้อนของอะลูมิเนียมคือ 235 W / mK เป็นโลหะที่มีราคาถูกที่สุดและมีน้ำหนักเบา ครีบระบายความร้อนอะลูมิเนียมเรียกอีกอย่างว่าฮีตซิงก์แบบอัดขึ้นรูปเนื่องจากสามารถทำโดยใช้การอัดขึ้นรูป

แผ่นระบายความร้อนที่ประทับตรา

สิ่งเหล่านี้ทำจากโลหะที่ถูกประทับตราให้มีรูปร่างเฉพาะ ตราประทับนี้จะสร้างแผ่นระบายความร้อนทุกครั้งที่มีการเคลื่อนย้ายโลหะผ่านเครื่องปั๊ม ราคาถูกกว่าเมื่อเทียบกับฮีตซิงก์แบบอัด
สิ่งเหล่านี้ใช้สำหรับแอพพลิเคชั่นที่ใช้พลังงานต่ำและด้วยเหตุนี้จึงมีประสิทธิภาพต่ำ

เครื่องจักรกลระบายความร้อน

สิ่งเหล่านี้ผลิตโดยกระบวนการตัดเฉือนบ่อยครั้งที่เลื่อยวงเดือนใช้สำหรับการถอดบล็อกของวัสดุเพื่อสร้างครีบระหว่างที่มีระยะห่างที่แม่นยำ สิ่งเหล่านี้มีราคาแพงเนื่องจากโลหะจำนวนมากอาจสูญเสียไปในกระบวนการผลิต

ครีบระบายความร้อนแบบผูกมัด

สิ่งเหล่านี้มักใช้สำหรับการใช้งานขนาดใหญ่ทางกายภาพที่ต้องการประสิทธิภาพที่สมเหตุสมผลเช่นการเชื่อมไฟฟ้าและ การใช้งานอิฐ DC-DC . สิ่งเหล่านี้ทำโดยการเชื่อมครีบโลหะแต่ละอันเข้ากับฐานของตัวระบายความร้อน สามารถทำได้สองวิธีคืออีพ็อกซี่ระบายความร้อนซึ่งประหยัดและอีกวิธีหนึ่งคือการบัดกรีซึ่งมีราคาแพง

ครีบระบายความร้อนแบบพับ

ครีบระบายความร้อนแบบพับเหล่านี้มีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่และมีวัสดุระบายความร้อนแบบพับได้ดังนั้นจึงมีประสิทธิภาพสูงมากและมีความหนาแน่นของฟลักซ์ความร้อนสูงมาก ในอ่างล้างจานเหล่านี้อากาศจะถูกส่งไปยังท่อระบายความร้อนโดยตรงผ่านท่อบางประเภท สิ่งนี้ทำให้สิ่งของทั้งหมดมีราคาแพงเนื่องจากต้นทุนการผลิตและการวางท่อรวมอยู่ในต้นทุนโดยรวมของอ่างล้างจาน

อ่างความร้อน Skived

กระบวนการ Skiving ใช้สำหรับการผลิตอ่างล้างมือเหล่านี้ซึ่งเกี่ยวข้องกับการสร้างบล็อกโลหะที่ละเอียดมากโดยทั่วไปคือทองแดง ดังนั้นสิ่งเหล่านี้จึงเรียกว่าอ่างความร้อนแบบ skived เหล่านี้เป็นฮีตซิงก์ที่มีประสิทธิภาพปานกลางถึงสูง

ฟอร์จฮีทซิงค์

โลหะเช่นทองแดงและอลูมิเนียมถูกนำมาใช้เพื่อสร้างแผ่นระบายความร้อนโดยใช้แรงอัด กระบวนการนี้เรียกว่ากระบวนการปลอม ดังนั้นจึงได้รับการขนานนามว่าเป็นฮีตซิงก์ปลอม

ครีบเดี่ยวครีบระบายความร้อน

น้ำหนักเบาและสามารถติดตั้งในพื้นที่ จำกัด ได้ นอกจากนี้ยังมีความสามารถในการทำงานต่ำถึงสูงและสามารถใช้กับแอพพลิเคชั่นมากมาย แต่ข้อเสียเปรียบที่สำคัญคือราคาแพงไปหน่อย

ครีบระบายความร้อนแบบ Swaged

Swaging เป็นกระบวนการตีขึ้นรูปเย็น แต่บางครั้งสามารถทำได้แม้กระทั่งกระบวนการทำงานที่ร้อนซึ่งขนาดของไอเท็มจะถูกเปลี่ยนเป็นแม่พิมพ์ สิ่งเหล่านี้มีราคาไม่แพงประสิทธิภาพปานกลางและมีข้อ จำกัด ในการจัดการการไหลของอากาศ

ความสำคัญของแผงระบายความร้อนในวงจรอิเล็กทรอนิกส์

  • แผ่นระบายความร้อนเป็นตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบพาสซีฟและได้รับการออกแบบให้มีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่สัมผัสกับตัวกลาง (ระบายความร้อน) โดยรอบเช่นอากาศ ส่วนประกอบหรือชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์หรืออุปกรณ์ที่มีอุณหภูมิไม่เพียงพอที่จะควบคุมอุณหภูมิจำเป็นต้องมีแผ่นระบายความร้อนเพื่อระบายความร้อน ความร้อนที่เกิดจากทุกองค์ประกอบหรือ ส่วนประกอบของวงจรอิเล็กทรอนิกส์ จะต้องกระจายไปเพื่อปรับปรุงความน่าเชื่อถือและป้องกันความล้มเหลวก่อนกำหนดของส่วนประกอบ
  • รักษาเสถียรภาพทางความร้อนในขีด จำกัด สำหรับทุกไฟฟ้าและ ส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ของวงจรใด ๆ หรือชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ของระบบใด ๆ ประสิทธิภาพของแผ่นระบายความร้อนขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆเช่นการเลือกใช้วัสดุการออกแบบส่วนยื่นออกมาการรักษาพื้นผิวและความเร็วของอากาศ
  • หน่วยประมวลผลกลางและหน่วยประมวลผลกราฟิกของคอมพิวเตอร์ยังระบายความร้อนโดยใช้แผงระบายความร้อน แผ่นระบายความร้อนเรียกอีกอย่างว่าตัวกระจายความร้อนซึ่งมักใช้เป็นแผ่นปิดหน่วยความจำของคอมพิวเตอร์เพื่อกระจายความร้อน
  • หากไม่มีแผงระบายความร้อนสำหรับวงจรอิเล็กทรอนิกส์จะมีโอกาสเกิดความล้มเหลวของส่วนประกอบต่างๆเช่นทรานซิสเตอร์ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า ICs LED และทรานซิสเตอร์กำลัง แม้ในขณะที่ บัดกรีวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ขอแนะนำให้ใช้แผ่นระบายความร้อนเพื่อหลีกเลี่ยงความร้อนขององค์ประกอบ
  • ฮีตซิงก์ไม่เพียง แต่ให้การกระจายความร้อนเท่านั้น แต่ยังใช้สำหรับการจัดการพลังงานความร้อนด้วยการกระจายความร้อนเมื่อความร้อนมากขึ้น ในกรณีที่อุณหภูมิต่ำแผ่นระบายความร้อนมีไว้เพื่อให้ความร้อนโดยปล่อยพลังงานความร้อนเพื่อให้วงจรทำงานได้อย่างเหมาะสม

การเลือก Heat Sink

สำหรับการเลือก Heat Sink เราต้องพิจารณาการคำนวณทางคณิตศาสตร์ดังต่อไปนี้:

พิจารณา

ถาม: อัตราการกระจายความร้อนเป็นวัตต์

T_j: อุณหภูมิทางแยกสูงสุดของอุปกรณ์ใน 0C

T_c: อุณหภูมิเคสของอุปกรณ์เป็น 0C

T_a: อุณหภูมิอากาศแวดล้อมที่ 0C

T_s: อุณหภูมิสูงสุดของตัวระบายความร้อนที่อยู่ในอุปกรณ์อย่างเรียบร้อยที่สุดใน 0C

ความต้านทานความร้อนสามารถกำหนดได้โดย

R = ∆T / Q

ความต้านทานไฟฟ้ากำหนดโดย

R_e = ∆V / I

ความต้านทานความร้อนระหว่างทางแยกและกรณีของอุปกรณ์กำหนดโดย

R_jc = (∆T_jc) / Q

ความต้านทานกรณีต่อการจมนั้นกำหนดโดย

R_cs = (∆T_cs) / Q

การจมลงสู่ความต้านทานโดยรอบถูกกำหนดโดย

R_sa = (∆T_sa) / Q

ดังนั้นจุดเชื่อมต่อกับความต้านทานโดยรอบจึงได้รับ

R_ja = R_jc + R_cs + R_sa = (T_j-T_a) / Q

ตอนนี้ความต้านทานความร้อนที่ต้องการของ Heat Sink คือ

R_sa = (T_j-T_a) / Q-R_jc-R_cs

ในสมการข้างต้นค่าของ T_j, Q และ R_jc ได้รับการแก้ไขโดยผู้ผลิตและค่าของ T_a และ R_cs ถูกกำหนดโดยผู้ใช้

ดังนั้นความต้านทานความร้อนของแผ่นระบายความร้อนสำหรับการใช้งานจะต้องน้อยกว่าหรือเท่ากับ R_sa ที่คำนวณได้ข้างต้น

ในขณะที่เลือกชุดระบายความร้อนจะต้องคำนึงถึงพารามิเตอร์ต่างๆเช่นงบประมาณความร้อนที่อนุญาตสำหรับอ่างความร้อนสภาพการไหลของอากาศ (การไหลตามธรรมชาติการไหลแบบผสมการไหลต่ำการพาความร้อนแบบบังคับให้ไหลสูง)

ปริมาตรของแผ่นระบายความร้อนสามารถกำหนดได้โดยการหารความต้านทานความร้อนเชิงปริมาตรด้วยความต้านทานความร้อนที่ต้องการ ช่วงของความต้านทานความร้อนเชิงปริมาตรมีดังต่อไปนี้ในตารางที่แสดงด้านล่าง

ช่วงความต้านทานความร้อนเชิงปริมาตร
กราฟด้านล่างแสดงการเปลี่ยนแปลงขนาดของตัวระบายความร้อนอะลูมิเนียมและความต้านทานความร้อนดังตัวอย่างการเลือกตัวระบายความร้อนโดยพิจารณาจากความต้านทานความร้อน

พื้นที่เทียบกับความต้านทานความร้อนของอ่างความร้อน

พื้นที่เทียบกับความต้านทานความร้อนของอ่างความร้อน

บทความนี้กล่าวถึงฮีตซิงก์ฮีตซิงก์ประเภทต่างๆและความสำคัญของฮีตซิงก์ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์โดยสังเขป สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมข้อมูลเกี่ยวกับแผงระบายความร้อนโปรดโพสต์คำถามของคุณโดยแสดงความคิดเห็นด้านล่าง

เครดิตภาพ: