هیت سینک یکی از اساسی‌ترین اجزای مورد استفاده برای خنک کردن دستگاه‌های الکترونیکی است. هر زمان که یک منبع گرما نتواند گرما را به طور مؤثر از طریق رسانش خود دفع کند و به خنک‌سازی کارآمدتری نیاز داشته باشد، از هیت سینک برای انتقال گرما از منبع و دفع آن از طریق رسانش و همرفت بهینه استفاده می‌شود.

هیت سینک‌ها به طور گسترده در الکترونیک قدرت، تجهیزات مخابراتی، سرورها، چراغ‌های LED، الکترونیک خودرو و دستگاه‌های صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

ساختار اولیه یک هیت سینک

یک هیت سینک معمولی عمدتاً از دو بخش تشکیل شده است:

• پایه

• تا

پایه معمولاً یک سطح صاف است که مستقیماً با منبع گرما در تماس است. وظیفه آن انتقال گرما از نقطه داغ و توزیع یکنواخت آن در سراسر پره‌ها است.

پره‌ها طوری طراحی شده‌اند که مساحت کل سطح هیت سینک را افزایش دهند. آن‌ها را می‌توان در طیف وسیعی از هندسه‌ها تولید کرد و معمولاً به صورت عمودی از پایه قرار می‌گیرند تا اتلاف گرما را به حداکثر برسانند.

هدف اصلی طراحی یک هیت سینک، به حداکثر رساندن مساحت سطح است که امکان انتقال گرمای بیشتر به هوای اطراف را فراهم می‌کند.

مواد سینک حرارتی

با استثنائات بسیار کمی، هیت سینک‌ها از فلزات رسانای گرما، معمولاً آلومینیوم یا مس، ساخته می‌شوند.

آلومینیوم

آلومینیوم پرکاربردترین ماده برای هیت سینک‌ها است.

• رسانایی حرارتی: ۲۳۵ وات بر متر مکعب

• سبک وزن

• مقرون به صرفه

• تولید آسان

این ویژگی‌ها، آلومینیوم را برای ساخت هیت سینک‌های سبک و مقرون‌به‌صرفه ایده‌آل می‌کند.

مس

مس یکی دیگر از مواد محبوب برای سینک‌های حرارتی است.

• رسانایی حرارتی: ~400 w/mk

• قابلیت انتقال حرارت بالاتر

اگرچه مس سنگین‌تر و گران‌تر است، اما اغلب در کاربردهای حرارتی با کارایی بالا مورد نیاز است.

همرفت طبیعی در مقابل همرفت اجباری

هیت سینک‌ها معمولاً بر اساس شرایط جریان هوا به دو دسته تقسیم می‌شوند.

همرفت طبیعی (خنک کننده غیرفعال)

هیت سینک‌های غیرفعال صرفاً برای دفع گرما به جریان هوای طبیعی متکی هستند.

آنها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که:

• حداکثر کردن مساحت سطح

• اجازه دهید هوا به طور طبیعی گردش کند

• بدون اجزای فعال اضافی کار کنید

هیت سینک‌های غیرفعال معمولاً در دستگاه‌های الکترونیکی کم‌مصرف استفاده می‌شوند.

همرفت اجباری (خنک کننده فعال)

هیت سینک‌های فعال از فن یا دمنده برای عبور دادن هوا از میان پره‌ها استفاده می‌کنند.

این جریان هوای اجباری باعث ایجاد تلاطم می‌شود و به طور قابل توجهی راندمان انتقال حرارت و عملکرد خنک‌کنندگی را افزایش می‌دهد.

راهکارهای خنک‌کننده فعال به طور گسترده در موارد زیر استفاده می‌شوند:

• سرورها

• الکترونیک قدرت

• سیستم‌های محاسباتی با کارایی بالا

انواع رایج هیت سینک‌ها

چندین فناوری تولیدی برای تولید هیت سینک‌ها استفاده می‌شود که هر کدام برای نیازها و کاربردهای حرارتی مختلفی مناسب هستند.

۱. هیت سینک‌های مهر شده (سطح برد)

هیت سینک‌های مهر شده از ورق فلزی با استفاده از فرآیندهای مهر زنی تدریجی تولید می‌شوند. هر مرحله مهر زنی با عبور فلز از قالب، ویژگی‌ها و جزئیاتی را اضافه می‌کند.

این هیت سینک‌ها معمولاً برای انواع خاصی از بسته‌های الکترونیکی طراحی می‌شوند تا از قرارگیری بهینه روی بردهای مدار چاپی (PCB) اطمینان حاصل شود.

آنها ممکن است در حالت غیرفعال کار کنند یا شامل یک فن برای افزایش جریان هوا در سراسر برد باشند.

مزایا

• ایده‌آل برای کاربردهای کم‌مصرف (0 تا 5 وات)

• مونتاژ سریع و ساده

• هزینه تولید پایین

• مقیاس‌پذیر برای تولید با حجم بالا

• برای انواع بسته‌بندی‌های مختلف موجود است

معایب

• برای کاربردهای بالای ۵ وات مناسب نیست

• اندازه محدود (عموماً زیر ۵۰ میلی‌متر)

• طراحی شده برای خنک کردن فقط یک دستگاه

۲. هیت سینک‌های آلومینیومی اکسترود شده

اکستروژن یکی از محبوب‌ترین و مقرون‌به‌صرفه‌ترین روش‌های تولید هیت سینک است.

هیت سینک‌های اکسترود شده بسته به کاربرد، اندازه‌های متفاوتی دارند. نسخه‌های کوچکتر برای خنک‌سازی سطح برد استفاده می‌شوند، در حالی که نمونه‌های بزرگتر برای مدیریت حرارتی با توان متوسط طراحی شده‌اند.

بسته به هندسه و فاصله پره‌ها، می‌توان آنها را برای خنک‌سازی غیرفعال و فعال بهینه کرد.

هیت سینک‌های اکسترود شده در سطح برد معمولاً برای اجزایی مانند موارد زیر استفاده می‌شوند:

• بی جی ای

• اف پی جی ای

فرآیند اکستروژن با یک قالب پروفیل آغاز می‌شود که ساختار پره، فاصله‌گذاری و ابعاد پایه را تعریف می‌کند. سپس آلومینیوم گرم شده از طریق قالب فشار داده می‌شود تا یک پروفیل بلند ایجاد شود که بعداً به طول دلخواه برش داده شده و بیشتر پردازش می‌شود.

مزایا

• ایده‌آل برای کاربردهای توان متوسط

• تولید مقرون به صرفه

• بسیار مقیاس‌پذیر برای تولید انبوه

• سفارشی سازی آسان

• ساختار یکپارچه با مقاومت حرارتی پایین

معایب

• برای کاربردهای با توان بسیار بالا مناسب نیست

• محدودیت‌های اندازه (تقریباً ۲۳ اینچ عرض و ۴۷ اینچ طول)

• پروفیل‌های بزرگ ممکن است محدودیت‌های پرداخت داشته باشند

۳. سینک‌های حرارتی باله‌دار اسکیددار

اسکیوینگ یک فرآیند ماشینکاری است که در آن باله‌ها مستقیماً از یک بلوک فلزی جامد تشکیل می‌شوند. لایه‌های نازک از پایه برش داده شده و به سمت بالا تا می‌شوند تا باله‌ها ایجاد شوند.

از آنجا که باله‌ها و پایه از یک قطعه ماده تشکیل شده‌اند، هیچ اتصال یا رابطی وجود ندارد که مقاومت حرارتی را کاهش می‌دهد.

این فرآیند همچنین امکان تولید پره‌های بسیار نازک و چگالی بالای پره را فراهم می‌کند و به طور قابل توجهی مساحت کل سطح را افزایش می‌دهد.

برخلاف اکستروژن، اسکیوینگ به ابزار اختصاصی نیاز ندارد، که هزینه‌های ابزار را کاهش می‌دهد و امکان نمونه‌سازی سریع‌تر را فراهم می‌کند.

مزایا

• راندمان خنک‌کنندگی بالا

• باله‌های نازک و تراکم باله بالا

• هزینه‌های ابزارسازی پایین‌تر

• برای سینک‌های حرارتی مسی مقرون به صرفه است

معایب

• برای کاربردهای با توان بسیار بالا ایده‌آل نیست

• محدودیت‌های اندازه

• باله‌های نازک ممکن است شکننده‌تر باشند

• برای حجم تولید بسیار زیاد مناسب نیست

۴. هیت سینک‌های باله پیوندی و باله لحیم‌کاری شده

هیت سینک‌های پره‌دار پیوندی از دو جزء اصلی تشکیل شده‌اند:

• یک پایه (اکسترود شده یا ماشینکاری شده)

• باله‌های جداگانه که با استفاده از چسب رسانای حرارتی، اپوکسی یا لحیم‌کاری به هم متصل شده‌اند

باله‌ها معمولاً از ورق فلزی نازک مهر و موم می‌شوند، در حالی که پایه می‌تواند اکسترود شده، ریخته‌گری شده یا ماشینکاری شود.

فناوری‌های حرارتی اضافی مانند لوله‌های حرارتی یا محفظه‌های بخار نیز می‌توانند برای بهبود عملکرد در پایه ادغام شوند.

هیت سینک‌های پره‌دار پیوندی، انعطاف‌پذیری طراحی بیشتری را فراهم می‌کنند و امکان تراکم پره بالاتر را در فضای کوچک‌تری فراهم می‌کنند.

مزایا

• طراحی جمع و جور برای کاربردهای با فضای محدود

• عملکرد حرارتی بالا

• مناسب برای همرفت اجباری

• فاصله کم بین پره‌ها

• نسبت ابعاد باله بالا

• یکپارچه‌سازی طراحی انعطاف‌پذیر

• هزینه‌های ابزارسازی پایین‌تر

معایب

• برای محیط‌های با لرزش بالا ایده‌آل نیست

• زمانی که مقاومت حرارتی مورد نیاز کمتر از 0.01°c/w باشد، مناسب نیست.

5. سینک‌های حرارتی باله زیپی

باله‌های زیپی از مجموعه‌ای از باله‌های فلزی ورقی که به صورت جداگانه مهر و موم شده‌اند ساخته شده‌اند که تا شده و به هم قفل شده‌اند.

این باله‌ها را می‌توان به یکی از دو صورت زیر مرتب کرد:

• کانال‌های بسته برای جریان هوای هدایت‌شده

• پیکربندی‌های باز برای جریان هوای چند جهته

باله‌ها معمولاً از طریق لحیم‌کاری، لحیم‌کاری سخت یا اتصال اپوکسی به پایه هیت سینک یا لوله‌های حرارتی متصل می‌شوند.

این طراحی، پایداری مکانیکی عالی و انعطاف‌پذیری بالایی را برای راه‌حل‌های حرارتی یکپارچه ارائه می‌دهد.

مزایا

• عملکرد حرارتی بالا

• ایده‌آل برای کاربردهای جریان هوای اجباری

• یکپارچه‌سازی طراحی انعطاف‌پذیر

• هزینه ابزارسازی کمتر

• سبک وزن

• می‌تواند راندمان لوله حرارتی را بهبود بخشد

• افزایش پایداری مکانیکی

معایب

• برخی محدودیت‌ها برای الزامات مقاومت حرارتی بسیار پایین

۶. سینک‌های حرارتی باله‌دار تاشو

باله‌های تا شده با خم کردن ورق‌های فلزی نازک به شکل‌های پیچیده برای افزایش سطح، ایجاد می‌شوند.

این پره‌ها معمولاً به یک پایه متصل یا لحیم می‌شوند تا مجموعه نهایی سینک حرارتی را تشکیل دهند. فناوری پره‌های تا شده همچنین می‌تواند در محلول‌های صفحه سرد مایع استفاده شود.

مزایا

• افزایش سطح

• راندمان بالای فین

• سازگار با مواد متعدد

• ساختار سبک

معایب

• زمانی که جریان هوا مستقیماً از طریق پره‌ها هدایت می‌شود، بهترین عملکرد را دارد

• هزینه‌های تولید بالاتر در برخی موارد

۷. هیت سینک‌های دایکاست

هیت سینک‌های دایکاست به صورت سازه‌های یکپارچه با استفاده از فلز مذاب تزریق شده به قالب‌های سفارشی تولید می‌شوند.

این روش تولید برای تولید با حجم بالا ایده‌آل است و امکان ایجاد هندسه‌های پیچیده‌ای را فراهم می‌کند که دستیابی به آنها از طریق سایر فرآیندها دشوار خواهد بود.

پس از ریخته‌گری، برای دستیابی به محصول نهایی، حداقل ماشینکاری و پرداخت لازم است.

مزایا

• ایده‌آل برای تولید با حجم بالا

• مناسب برای اشکال پیچیده

• مقاومت حرارتی کم یا نزدیک به صفر

معایب

• هزینه‌های اولیه بالای ابزار و قالب