Tản nhiệt di chuyển nhiệt ra khỏi các linh kiện điện tử và vào không khí, giữ chúng trong giới hạn nhiệt độ an toàn. Hiệu suất của nó phụ thuộc vào kiểu làm mát, vật liệu, hình dạng vây, phương pháp sản xuất và lắp đặt. Bài viết này giải thích các loại tản nhiệt, bộ rải tiên tiến, tùy chọn PCB và phương pháp lắp đặt, đồng thời cung cấp thông tin rõ ràng về từng chủ đề.
Tổng quan về tản nhiệt
Tản nhiệt có thể được nhóm theo nhiều cách dựa trên cấu trúc, phương pháp làm mát, vật liệu và vị trí lắp đặt của chúng. Hiểu các nhóm này giúp bạn dễ dàng chọn tản nhiệt đáp ứng nhu cầu làm mát của mạch hoặc hệ thống.
Các phương pháp phân loại tiêu chuẩn bao gồm:
• Phương pháp làm mát - thụ động hoặc chủ động
• Quy trình sản xuất - ép đùn, dập, trượt, v.v.
• Hình học vây - thẳng, chốt, loe
• Tăng cường vận chuyển nhiệt - ống dẫn nhiệt, buồng hơi
• Cấp độ tích hợp - gắn PCB hoặc cấp khung
Làm mát thụ động và chủ động cho tản nhiệt
| Loại | Phương pháp làm mát | Lợi thế chính | Hạn chế chính |
|---|---|---|---|
| Thụ động | Đối lưu tự nhiên (không có quạt) | Hoạt động yên tĩnh và cấu trúc đơn giản | Cần thêm không gian hoặc diện tích bề mặt để làm mát tốt |
| Hoạt động | Không khí cưỡng bức với quạt | Có thể loại bỏ nhiều nhiệt hơn với kích thước nhỏ hơn | Thêm tiếng ồn, sử dụng điện và quạt có thể bị hỏng hoặc tắc nghẽn |
• Tản nhiệt thụ động dựa vào luồng không khí tự nhiên, vì vậy chúng yên tĩnh và đơn giản nhưng cần kích thước lớn hơn hoặc nhiều cánh tản nhiệt hơn để loại bỏ cùng một lượng nhiệt.
• Tản nhiệt chủ động sử dụng quạt để đẩy không khí qua các cánh tản nhiệt, vì vậy chúng có thể xử lý nhiệt cao hơn trong một không gian nhỏ hơn, nhưng tạo ra tiếng ồn và phụ thuộc vào việc quạt luôn sạch sẽ và hoạt động bình thường.
Vật liệu tản nhiệt thông thường
| Vật liệu | Mức độ dẫn nhiệt |
|---|---|
| Nhôm | Trung bình (~ 205 W / m · K) |
| Đồng | Cao (~400 W/m·K) |
| Hỗn hợp | Nhôm và đồng hỗn hợp |
• Nhôm có độ dẫn nhiệt vừa phải và trọng lượng thấp nên được sử dụng cho tản nhiệt tiêu chuẩn trong nhiều sản phẩm điện tử.
• Đồng có độ dẫn nhiệt cao hơn và tỏa nhiệt nhanh hơn, nhưng nặng hơn và đắt hơn nhôm.
• Tản nhiệt lai sử dụng cả đồng và nhôm trong một cấu trúc để cải thiện khả năng lan tỏa nhiệt ở những điểm quan trọng trong khi vẫn kiểm soát được trọng lượng và chi phí tổng thể.
Hình dạng vây tản nhiệt và luồng không khí phù hợp
Hình dạng và hướng của vây ảnh hưởng mạnh mẽ đến cách không khí di chuyển qua tản nhiệt và mức độ loại bỏ nhiệt. Các hình dạng vây khác nhau hoạt động tốt hơn với các kiểu luồng không khí cụ thể, chẳng hạn như luồng không khí từ quạt hoặc luồng không khí tự nhiên. Chọn loại vây phù hợp giúp duy trì luồng không khí trơn tru và cải thiện hiệu suất làm mát tổng thể.
| Hình học | Phù hợp với luồng không khí |
|---|---|
| Vây thẳng | Tốt nhất với luồng không khí theo một hướng chính |
| Vây ghim | Hoạt động tốt với không khí đến từ nhiều hướng |
| Vây loe | Giúp giảm lực cản luồng không khí và áp suất ngược |
Phương pháp sản xuất tản nhiệt và các loại kết cấu
Tản nhiệt nhôm ép đùn
Tản nhiệt ép đùn được chế tạo bằng cách ép nhôm được nung nóng qua một khuôn định hình để tạo thành một mảnh dài, có vây. Sau đó, các cấu hình có thể được cắt theo chiều dài cần thiết. Phương pháp này, Phân loại tản nhiệt: Loại, Vật liệu và Phương pháp sản xuất, được sử dụng vì nó hỗ trợ nhiều hình dạng tiêu chuẩn và giữ cho chi phí sản xuất có thể quản lý được đối với các mức công suất vừa và nhỏ.
• Cấu trúc một mảnh với các cánh tản nhiệt và đế được hình thành cùng nhau
• Độ bền cơ học tốt để lắp đặt và xử lý
• Rất phù hợp cho các ứng dụng công suất thấp đến trung bình
• Khả năng hạn chế để tạo ra các vây mỏng manh hoặc hình dạng rất phức tạp
Tản nhiệt kim loại dập
Tản nhiệt dập được làm từ các tấm kim loại mỏng được cắt và tạo hình bằng các công cụ dập. Các cánh tản nhiệt và đế được hình thành từ một tấm duy nhất, giữ cho cấu trúc nhẹ và nhỏ gọn. Loại tản nhiệt này thường được sử dụng ở những nơi có không gian hạn chế và chỉ cần loại bỏ một lượng nhiệt khiêm tốn.
• Được hình thành từ một tấm kim loại mỏng bằng các công cụ dập
• Kết cấu nhẹ với chi phí vật liệu tương đối thấp
• Thích hợp cho việc sản xuất số lượng lớn tản nhiệt nhỏ gọn
• Cung cấp diện tích bề mặt ít hơn và hiệu suất làm mát thấp hơn so với các loại vây dày hơn
Tản nhiệt kim loại đúc
Tản nhiệt đúc được chế tạo bằng cách ép kim loại nóng chảy vào khuôn, nơi nó nguội và cứng lại thành hình dạng cuối cùng. Quá trình này có thể tạo ra các mẫu vây chi tiết và các tính năng lắp đặt hoặc căn chỉnh tích hợp trong một mảnh duy nhất. Nó thường được sử dụng khi cần một hình dạng cụ thể và khi tản nhiệt phải vừa khít với các bộ phận cơ khí khác.
• Sử dụng kim loại nóng chảy được bơm vào khuôn để tạo thành tản nhiệt
• Hỗ trợ bố trí vây phức tạp và các tính năng cơ học tích hợp
• Rất phù hợp với các thiết kế mà tản nhiệt là một phần của vỏ bọc hoặc vỏ
• Yêu cầu chi phí dụng cụ cao hơn, làm cho nó trở nên thiết thực nhất cho khối lượng sản xuất từ trung bình đến cao
Cấu trúc tản nhiệt vây ngoại quan
Tản nhiệt vây ngoại quan được chế tạo bằng cách gắn các cánh tản nhiệt riêng biệt vào đế vững chắc bằng cách sử dụng hàn, hàn hoặc phương pháp liên kết khác. Cách tiếp cận này cho phép nhiều cánh tản nhiệt được đóng gói vào cùng một dấu chân, giúp tăng tổng diện tích bề mặt truyền nhiệt so với nhiều cấu hình ép đùn tiêu chuẩn. Thiết kế vây ngoại quan thường được chọn khi cần hiệu suất làm mát cao hơn trong một không gian hạn chế.
• Hỗ trợ mật độ vây cao hơn so với tản nhiệt ép đùn thông thường
• Khoảng cách, chiều cao và độ dày của vây có thể được điều chỉnh theo luồng không khí và mức công suất
• Các mối nối liên kết bổ sung một lượng nhỏ lực cản nhiệt so với các cánh tản nhiệt một mảnh
Thiết kế tản nhiệt vây trượt
Tản nhiệt vây trượt được làm từ một khối kim loại rắn bằng cách cạo các lớp vật liệu mỏng và uốn cong chúng để tạo thành vây. Bởi vì các cánh tản nhiệt được hình thành từ cùng một mảnh kim loại với đế nên không có khớp nối riêng biệt giữa chúng. Phương pháp này cho phép nhiều cánh tản nhiệt mỏng phù hợp với một khu vực nhỏ, tăng tổng diện tích bề mặt truyền nhiệt và cho phép làm mát mạnh mẽ trong không gian chật hẹp.
• Các cánh tản nhiệt được cắt và uốn cong từ một khối kim loại rắn duy nhất
• Cung cấp diện tích bề mặt vây lớn trong một dấu chân nhỏ gọn
• Hoạt động tốt ở những nơi không gian hạn chế nhưng nhu cầu loại bỏ nhiệt cao hơn
Cấu trúc tản nhiệt rèn nguội
Tản nhiệt rèn nguội được chế tạo bằng cách ép kim loại vào khuôn định hình dưới áp suất cao ở nhiệt độ phòng hoặc cao hơn một chút. Quá trình này tạo thành đế và hợp nhất thành một mảnh rắn duy nhất, giúp giữ cho cấu trúc chắc chắn và cải thiện sự truyền nhiệt giữa đế và cánh tản nhiệt. Rèn nguội hoạt động tốt cho các hình dạng nhỏ gọn, bao gồm bố cục vây chốt hoặc xuyên tâm dày đặc cần làm mát tốt trong một không gian nhỏ.
• Tạo thành tản nhiệt bằng cách ép kim loại thành hình dạng ở áp suất cao
• Cấu trúc một mảnh cho độ bền cao và tiếp xúc nhiệt tốt
• Rất phù hợp cho các bố cục nhỏ gọn, công suất cao như thiết kế vây ghim hoặc xuyên tâm
• Yêu cầu dụng cụ phức tạp và tiết kiệm nhất cho khối lượng sản xuất lớn
Ống dẫn nhiệt và tản nhiệt buồng hơi
Cấu trúc tản nhiệt ống dẫn nhiệt
Tản nhiệt ống dẫn nhiệt kết hợp đế kim loại và cánh tản nhiệt với một hoặc nhiều ống kín có chứa một lượng nhỏ chất lỏng làm việc. Khi đế được làm nóng, chất lỏng ở đầu nóng hấp thụ nhiệt và bốc hơi. Hơi di chuyển dọc theo ống đến vùng vây mát hơn, nơi nó ngưng tụ trở lại thành chất lỏng và giải phóng nhiệt cho các cánh tản nhiệt. Một bấc hoặc cấu trúc tương tự bên trong ống đưa chất lỏng trở lại đầu nóng, do đó chu trình lặp lại và nhanh chóng di chuyển nhiệt ra khỏi điểm nóng.
• Sử dụng các đường ống kín với chất lỏng làm việc để truyền nhiệt từ đế đến khu vực vây
• Giúp kiểm soát các điểm nóng bằng cách lan tỏa nhiệt trên bề mặt lớn hơn
• Cho phép đặt các cánh tản nhiệt ở một khoảng cách nhất định so với nguồn nhiệt trong khi vẫn làm mát hiệu quả
• Phụ thuộc vào sự bay hơi và ngưng tụ liên tục bên trong đường ống để vận chuyển nhiệt hiệu quả
Thiết kế tản nhiệt buồng hơi
Tản nhiệt buồng hơi sử dụng một tấm phẳng, kín với một lượng nhỏ chất lỏng bên trong. Nhiệt làm cho chất lỏng bay hơi, lan tỏa dưới dạng hơi, sau đó ngưng tụ trên những khu vực mát mẻ hơn. Điều này nhanh chóng lan tỏa nhiệt trên đế trước khi đến vây.
• Buồng phẳng lan tỏa nhiệt trên một đế rộng
• Giúp giữ nhiệt độ cơ bản đồng đều hơn
• Giảm các điểm nóng và cải thiện hiệu quả của vây
Tản nhiệt PCB và các tính năng của bo mạch
• Tản nhiệt kẹp gắn vào TO-220 và các gói tương tự để hút nhiệt ra khỏi thiết bị.
• Tản nhiệt SMD nhỏ gắn trên đầu các bộ phận gắn trên bề mặt để cải thiện khả năng làm mát cục bộ trên các bảng đông đúc.
• Các vias nhiệt và các khu vực đồng rộng trên PCB giúp lan tỏa nhiệt từ bộ phận vào các lớp bo mạch.
• Các phương pháp này rất hữu ích khi không có bộ tản nhiệt khung gần đó và bộ phận phải được làm mát trong khi vẫn ở trên bo mạch.
Các phương pháp lắp tản nhiệt phổ biến
| Loại tệp đính kèm | Sử dụng điển hình | Lợi thế chính | Hạn chế chính |
|---|---|---|---|
| Băng nhiệt | Tải trọng nhẹ | Dễ dàng cài đặt | Hiệu suất nhiệt thấp hơn |
| Keo nhiệt | Hội đồng thường trực | Mối quan hệ bền chặt, bền vững | Khó tháo hoặc điều chỉnh |
| Clip | Gói công suất trung bình | Có thể tái sử dụng và không cần dụng cụ | Cần các tính năng phù hợp trên các bộ phận |
| Chốt đẩy | Tản nhiệt gắn PCB | Cài đặt nhanh chóng | Yêu cầu lỗ trên bảng mạch |
| Vít | Tản nhiệt lớn hoặc nặng | Khả năng giữ chân mạnh mẽ | Mất nhiều thời gian hơn để lắp ráp và thắt chặt |
Kết luận
Tản nhiệt có thể trông đơn giản, nhưng khả năng làm mát của chúng đến từ nhiều lựa chọn liên kết. Phương pháp làm mát, vật liệu, hình dạng vây và phương pháp xây dựng đặt hiệu suất, kích thước và chi phí cơ bản. Các tính năng bổ sung như ống dẫn nhiệt, buồng hơi, khu vực đồng PCB và lắp đặt chắc chắn giúp cải thiện dòng nhiệt khi không gian hoặc nguồn điện chật hẹp. Cùng với nhau, những yếu tố này giúp giữ cho các mạch trong giới hạn nhiệt độ an toàn và hỗ trợ hiệu suất nhiệt ổn định, đáng tin cậy theo thời gian.
Câu hỏi thường gặp [FAQ]
Quý 1. Khả năng chịu nhiệt của tản nhiệt là gì?
Khả năng chịu nhiệt của tản nhiệt là mức tăng nhiệt độ tính bằng ° C cho mỗi watt công suất (° C / W). Giá trị thấp hơn có nghĩa là làm mát tốt hơn.
Quý 2. Nhiệt độ môi trường ảnh hưởng đến tản nhiệt như thế nào?
Nhiệt độ môi trường cao hơn làm cho tản nhiệt và thiết bị chạy nóng hơn. Để giữ nhiệt độ thiết bị như nhau, cần có nhiều luồng không khí hơn hoặc tản nhiệt tốt hơn.
Quý 3. Màu sắc của tản nhiệt có ảnh hưởng đến việc làm mát không?
Màu sắc ít ảnh hưởng đến việc làm mát. Khu vực vây, luồng không khí và lựa chọn vật liệu quan trọng hơn nhiều.
Quý 4. Vật liệu giao diện nhiệt (TIM) là gì?
TIM là một lớp mỏng, dẫn nhiệt giữa thiết bị và tản nhiệt giúp lấp đầy các khoảng trống nhỏ và cải thiện dòng nhiệt.
Câu 5. Tại sao hướng tản nhiệt lại quan trọng trong làm mát thụ động?
Trong làm mát thụ động, không khí ấm bốc lên. Các cánh tản nhiệt thẳng đứng với đường đi lên rõ ràng cho phép không khí lưu thông dễ dàng hơn và cải thiện khả năng làm mát.
Câu 6. Làm thế nào để bạn giữ cho tản nhiệt hoạt động tốt theo thời gian?
Loại bỏ bụi khỏi cánh tản nhiệt và quạt, đồng thời đảm bảo kẹp, chốt hoặc vít luôn chặt chẽ để tiếp xúc và luồng không khí vẫn tốt.
