Boyd Heat Sink Fabrications Guide: Ein schneller und einfacher Leitfaden zur Auswahl eines Kühlbeckens

Der Kühlkörper ist eine der grundlegendsten Komponenten bei der Kühlung elektronischer Geräte. Für jede Wärmequelle, die nicht richtig durch ihre eigene Konduktionskühlung gekühlt werden kann und eine effizientere Kühlung als ein Wärmeverteiler benötigt, ist ein Kühlkörper erforderlich, um Wärme von der Quelle wegzuleiten und durch optimierte Leitung oder Konvektion abzuführen.

Kühlkörper sind in erster Linie mit einer Basis und Flossen konstruiert. Die Basis ist typischerweise eine planare Oberfläche, die Kontakt mit der Wärmequelle aufnimmt und die Wärme vom Hot Spot auf die Flossen verteilt. Lamellen können in einer beliebigen Anzahl von Geometrien geschnitten oder konstruiert werden, die oft senkrecht zur Basis verlaufen, um Wärme zu verteilen. Ziel ist es, die Oberfläche des Kühlkörpers so zu optimieren, dass die meiste Wärme übertragen und abgeführt werden kann.

Mit seltenen Ausnahmen bestehen Kühlkörper aus einem wärmeleitfähigen Metall, das häufigste ist Aluminium. Aluminium hat eine Wärmeleitfähigkeit von 235 Watt pro Kelvin pro Meter und ist leicht und kostengünstig, was es ideal für leichtere, kostengünstigere Kühlkörper macht. Kupfer ist auch eine beliebte Wahl. Obwohl Kupfer teurer und schwerer ist, kann es aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit bei 400 W/mK für Hochleistungsanwendungen erforderlich sein.

Schließlich klassifizieren Ingenieure Kühlkörper oft in "natürliche" Konvektion oder "erzwungene" Konvektion. Natürliche Konvektionskühlkörper (passiv) maximieren die Oberfläche und leiten Wärme ohne Zusatz von aktiven Komponenten ab. Forced Convection (Active) Kühlkörper sind so konzipiert, dass sie Komponenten wie Lüfter und Gebläse verwenden, um kühlere Luft über die Lamellen zu drücken, Turbulenzen zu erzeugen und die Kühlleistung des Kühlkörpers zu erhöhen.

Extrudiertes Aluminium ist eine der beliebtesten und kostengünstigsten Fabrikationen. Extrudierte Kühlkörper variieren je nach Anwendung, kleiner für Platinenebene oder größer für Anwendungen mit mittlerer Leistung. Sie können für die passive oder aktive Kühlung basierend auf Flossenform und -neigung ausgelegt werden. Extrudierte Kühlkörper auf Platinenebene sind für Gehäuse wie BGAs und FPGAs üblich.

Die Wahl des richtigen extrudierten Kühlkörpers basiert weitgehend auf dem benötigten Profil. Extrudierte Kühlkörper werden hergestellt, indem eine Profildüse hergestellt wird, die die Flossendichte, -steigung und -länge sowie die Basishöhe und -breite bestimmt. Erweichtes Aluminium wird durch die Matrize gedrückt, um eine lange Stange zu erzeugen, die als Rohstange bekannt ist, mit dem gleichen Profil und der gleichen Größe wie die Matrize. Die Stange wird dann in kleinere, standardförmige Stangen / Rechtecke oder benutzerdefinierte Längen geschnitten. Diese werden weiter bearbeitet und veredelt, um maßgeschneiderte Kühlkörper zu erstellen. Dieser Prozess ist schnell, kosteneffizient und skalierbar. Aus diesem Grund ziehen viele bei der Suche nach einer Lösung zuerst extrudierte Kühlkörper in Betracht.

• Ideal für Anwendungen mit geringer bis mittlerer Leistung
• Schnell & kostengünstig
• Skalierbares hohes Volumen
• Einfache Anpassungen
• Einteilige Konstruktion für begrenzten Wärmewiderstand

• Nicht für Hochleistungsanwendungen
• Größenbeschränkungen, Abmessungen dürfen nicht größer als ca. 23" W, 47" L sein
• Finishing-Einschränkungen bei größeren Größen

• Verwenden Sie natürliche oder erzwungene Konvektion?
• Benötigen Sie eine Bearbeitung?
• Was ist die maximale Umgebungstemperatur, bei der Ihr Gerät betrieben wird?
• Wie viel Strom verbraucht Ihr Gerät?
• Was ist Ihre maximale Gerätegehäusetemperatur?
• Wie groß ist Ihre Gerätegröße und Ihr Fußabdruck an der Wärmequelle?
• Wie viel Platz haben Sie für Ihren Kühlkörper?

Ein gebondeter Lamellenkühlkörper ist eine zweiteilige Baugruppe, die aus einer extrudierten oder bearbeiteten Basis mit Nuten oder Schlitzen und Lamellen besteht, die mit einem wärmeleitfähigen Bindemittel, typischerweise Epoxid oder Löten, befestigt sind. Für eine erhöhte strukturelle Integrität und eine verbesserte thermische Leistung werden diese Konstruktionen manchmal gelötet, um die thermische und mechanische Verbindung zu verstärken.

Lamellen werden typischerweise aus Coil-Material gestanzt oder aus dünnem Plattenmaterial geschnitten, während Basen oft extrudiert, Druckguss oder bearbeitet werden. Basen können auch zusätzliche thermische Integrationen wie eingebettete Heatpipes oder Dampfkammern für eine höhere Leistung enthalten. Durch die Ermöglichung einer höheren Anzahl längerer Lamellen und zusätzlicher Anpassungen bieten geklebte Kühlkörper eine höhere Leistung mit mehr Oberfläche bei geringerem Platzbedarf.

• Geringerer Platzbedarf für Anwendungen mit begrenztem Platzbedarf
• Hohe thermische Leistung
• Gut für erzwungene Konvektion, keine Begrenzung der Luftstromdauer
• Enger Finnenabstand
• Hohes Lamellenseitenverhältnis
• Einfache Integration, hohe Designflexibilität
• Niedrigere Werkzeugkosten

• Nicht für Anwendungen mit hohen Vibrationen oder Schocks
• Kann nicht verwendet werden, wenn der thermische Widerstand unter 0,01 ° C / W liegen muss

• Wie viel Strom muss abgeführt werden?
• Was ist der Fußabdruck und die Lage der Wärmequelle?
• Was ist die Umgebungstemperatur und die maximale Kühlkörpertemperatur? (oder erforderlicher thermischer Widerstand)
• Was sind die geometrischen oder Gewichtsbeschränkungen, Gesamtabmessungen?
• Brauchen Sie einen Ventilator?
• Was sind Ihre Materialpräferenzen?
• Was sind Ihre Zielkosten?

Gefaltete Lamellen werden konstruiert, indem Metallbleche einem Falzprozess unterzogen werden, um verschiedene Geometrien mit vergrößerter Oberfläche zu erzeugen. Obwohl diese Lamellen in einer Reihe von Technologien verwendet werden können, einschließlich flüssiger Kühlplatten; Sie werden meistens mit einer Basis verbunden oder gelötet, um einen Kühlkörper zu erzeugen.

• Erhöhte Oberfläche und Flosseneffizienz
• Hohe Wärmestromdichte
• Weitere Materialoptionen
• Geringes Gewicht

• Am besten, wenn die Luft direkt zum Kühlkörper geleitet wird
• Potenzial für höhere Kosten

Druckguss-Kühlkörper sind eine einteilige Konstruktion. Sie werden in erster Linie in hohen Stückzahlen für Anwendungen hergestellt, die gewichtsempfindlich sind, eine überlegene kosmetische Oberflächenqualität erfordern oder hochkomplexe Geometrien aufweisen. Diese Lösungen werden hergestellt, indem eine wärmeleitfähige Legierung in eine kundenspezifische Form in netznaher Form gegossen und dann leicht bearbeitet und für das Endprodukt fertiggestellt wird.

• Ideal für Anwendungen mit hohem Volumen und höherer Leistung
• Geeignet für komplexe Geometrien
• Geringer bis kein thermischer Widerstand

• Hohe anfängliche einmalige Werkzeugkosten

Kühlkörper können leicht in andere thermische Technologien integriert werden, um ihre Leistung erheblich zu verbessern. Die beliebtesten Technologien, die bei Kühlkörpern verwendet werden, sind Wärmeleitmaterialien, Luftbeweger wie Lüfter und Gebläse, Heatpipes und Dampfkammern. Diese verschiedenen Lösungen können den thermischen Widerstand verringern, die Wärmeausbreitungs- und Basiskühlleistung verbessern, die Effizienz der Lamellen erhöhen und eine vollständige Optimierung Ihrer Kühlkörperkonstruktion sicherstellen.

Wärmeleitmaterialien (TIMs) reichen von Spaltfüllpads bis hin zu Thermofett und Folien. Ein Wärmeleitmaterial ist ein leitfähiges Material, das zwischen Kühlkörper und Wärmequelle angewendet wird, um den Wärmewiderstand zu verringern und die Wärmeverteilung zu erhöhen. Egal wie glatt die Kühlkörperbasis ist, wenn sie direkt auf der Wärmequelle platziert wird, gibt es winzige Luftspalte zwischen dem Gerät und dem Kühlkörper, die die Wärmeübertragung behindern. Diese Materialien füllen die Lufteinschlüsse, um die Wärmeübertragung zu verbessern.

Ventilatoren sind die einfachste und kostengünstigste Methode zur Steigerung der thermischen Leistung. Durch Hinzufügen eines Lüfters oder Gebläses können Sie den Luftstrom und die Kühlung innerhalb derselben Stellfläche erhöhen. Lüfter sind mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, Spannungen und Funktionstypen anpassbar und sind die erste Option, die für die meisten Anwendungen in Betracht gezogen werden sollte, bei denen eine passive Lösung keine Schlüsselanforderung ist. Lüftereinschübe werden in Anwendungen mit höherer Leistung für eine kosteneffiziente und leistungsstarke Kühlung eingesetzt.

Gebläse variieren auch in Größe und Verwendung und sind ideal für die Hot-Spot-Kühlung in der Unterhaltungselektronik, da sie mit lokalisierter, hochgerichteter Kühlung sehr dünn gestaltet werden können. Oder Gebläse kommen in größeren Profilen, wie Boyds Dual Inlet Blowers, die für eine leistungsstärkere Kühlung mit geringerer Akustik für Anwendungen wie Enterprise Computing Facilities und Rack-Kühlung ausgelegt sind.

• Wie viel Luftstrom wird in CFM benötigt?
• Welche Gleichspannung benötigen Sie, 5V, 12V, 24V, 48V (begrenzte Verfügbarkeit für Wechselspannung)
• Was sind Ihre Größenbeschränkungen? (Höhe, Länge, Breite)?
• Benötigen Sie zusätzliche Drahtoptionen für Steuerungen?
• Haben Sie Lärmbeschränkungen? Wenn ja, welches Dezibel?
• Haben Sie Druckanforderungen auf Systemebene, die normalerweise als Druckabfall gemessen werden?
• Unter welchen Umgebungsbedingungen wird der Ventilator betrieben? (z. B. Außen-, Staub- oder Regenexposition)

Heatpipes und Dampfkammern sind passive zweiphasige Kühltechnologien. Eine Heatpipe verfügt über einen Docht, meist gesintertes Kupfer, der der Innenseite eines Hohlrohrs, ebenfalls typischerweise Kupfer, hinzugefügt wird. Eine sehr kleine Menge Wasser oder Flüssigkeit wird in die Heatpipe gegeben und sie ist vakuumversiegelt.

Wenn die Wärmequelle mit dem Heatpipe in Kontakt kommt, verdampft die Flüssigkeit und entfernt sich von der Wärmequelle. Die Wärme wird von der Wärmequelle zu einem Ableitungspunkt übertragen und die Flüssigkeit kondensiert in der Heatpipe und gibt die Wärme ab. Dies ermöglicht eine viel schnellere Wärmeübertragung und -verteilung im Vergleich zu festem Metall.

Dampfkammern sind ähnlich hergestellt, haben aber eine planare Geometrie für eine verbesserte Wärmeverteilung. Bei Verwendung in einer integrierten Kühlkörperbaugruppe sind Dampfkammern in die Basis eingebettet, um die Wärmeübertragung über den gesamten Kühlkörperbedarf zu optimieren. Dampfkammern sind ideal für unterschiedliche Gerätetypen und Skylines.

Heatpipes können verwendet werden, um die Effizienz der Kühlkörperflossen zu verbessern, indem die Basis mit einem anderen Punkt im Lamellenstapel verbunden wird, um die gesamte Flossenhöhe besser zu nutzen. Sie werden jedoch am häufigsten in einem Kühlkörper zur Grundwärmeverteilung ähnlich wie Dampfkammern verwendet. Heatpipes können platziert werden, um die Montage und mehrere Wärmequellen in einem optimalen Design unterzubringen.

Kühlkörper werden weiterhin ein integraler Bestandteil von Wärmemanagementsystemen sein, und es gibt viel mehr Fertigungs- und Designmöglichkeiten für Kühlkörper, als die meisten Ingenieure erkennen. Während Kühlkörpergrundlagen ziemlich Standard sind, geht die Anzahl der Optionen und Anpassungen heute weit über traditionelle Kühlkörper hinaus, die seit Jahrzehnten verwendet werden. Viele wissen nicht, dass sie durch die Verwendung der optimalen Herstellungsmethode mit korrekten Anpassungsoptionen Zeit, Geld, Platz und Gewicht sparen und gleichzeitig die Kühlung und Geräteleistung erheblich verbessern können.

Die Boyd Corporation entwickelt seit Jahrzehnten Kühlkörper; seit der Einführung der ersten Personal- und Unternehmenselektronik und lange vor dem Aufkommen des Internets, wie wir es kennen. Die Kühlkörpertechnologie hat sich in dieser Zeit mit neuen Konstruktionen, Technologien und Fertigungskapazitäten erheblich weiterentwickelt. Dieser Trend wird sich fortsetzen, da sich die Anforderungen an das Wärmemanagement weiterentwickeln. Neue Materialien, leistungsfähigere Konstruktionen und innovative Technologieintegrationen kommen auf den Markt, da sich thermische Lösungen weiterentwickeln.

Die jahrzehntelange Innovationsexpertise, Erfahrung, Ressourcen und der einzigartige Ansatz der Boyd Corporation zur Integration mehrerer Funktionalitäten in optimierte Produkte werden das Unternehmen weiterhin an der Spitze der thermischen Innovation und der kontinuierlich verbesserten Fertigungsmethoden halten. Wenn Sie bereit sind, Ihre älteren Kühlkörper zu verbessern oder nachzurüsten oder neue Herausforderungen für die nächste Generation angehen möchten, wenden Sie sich zunächst an die Boyd Corporation, um mehr über Kühlkörperkonstruktionen, Anpassungen und andere Möglichkeiten für eine besser optimierte Kühlung zu erfahren.