المشتت الحراري هو جزء أساسي من الأجهزة الإلكترونية. يقوم بإزالة الحرارة من المكونات الكهربائية عن طريق تبديدها في الهواء المحيط. وبالتالي، فإن المشتتات الحرارية تمنع المكونات من السخونة الزائدة التي قد تتسبب في الفشل أو التدمير.
عادةً ما يتم تصنيعه من معادن ذات معامل انتقال حراري عالي مثل الألمنيوم أو النحاس، حيث تعمل المشتتات الحرارية على تحسين استقرار وديمومة الأجهزة عن طريق تنظيم درجات حرارتها أثناء العمل. تُستخدم في وحدات المعالجة المركزية (CPU)، الترانزستورات عالية القدرة، وأنظمة إلكترونية أخرى عالية القدرة حيث يكون تبديد الحرارة أمرًا بالغ الأهمية.
ما هو المشتت الحراري؟
المشتت الحراري هو جسم معدني يوضع فوق شريحة، مثل وحدة المعالجة المركزية (CPU)، ووظيفته الرئيسية هي التعامل مع الحرارة. يعمل عن طريق أخذ الحرارة من المكون وتبريدها من خلال زعانف معدنية، التي تقوم بتبريد الشريحة. المشتت الحراري هو جهاز غير نشط؛ لا يحتوي على أجزاء متحركة. ومع ذلك، غالبًا ما يستخدم مع مروحة تقوم بتوجيه الهواء الساخن في الاتجاه المعاكس. علاوة على ذلك، يمكن دمجه في نظام تبريد سائل ينقل الحرارة عبر الأنابيب إلى مكان آخر.
تطبيقات مبردات الحرارة في الإلكترونيات
بعض من الاستخدامات الأكثر شيوعًا للمبردات الحرارية هي كما يلي:
- مكبرات الصوت للطاقة: في مكبرات الصوت للطاقة، يتم استخدام المبردات لخفض درجة حرارة الترانزستورات. فهي تساعد في إزالة الحرارة ومنع الترانزستورات من التلف أو التأثر بالحرارة، مما يضمن استقرارها.
- وحدة المعالجة المركزية في الحواسيب، يتم استخدام مبردات الحرارة لتبريد وحدات المعالجة المركزية (CPU) وبطاقات الرسومات. تولد هذه المكونات الكثير من الحرارة أثناء تنفيذ مهام المعالجة المختلفة، وتعد مبردات الحرارة مفيدة في تبديد هذه الحرارة بسرعة لتجنب التأثير على أداء الأجهزة أو حتى تلفها.
- الإلكترونيات البصرية: بعض الأجهزة، مثل LEDs والليزر، تحتاج إلى مبردات حرارية لإدارة الحرارة الزائدة التي تولدها. إذا لم يتم تبريدها بشكل مناسب، قد ترتفع درجة حرارة هذه المكونات، مما سيؤدي بالتأكيد إلى تقليل كفاءتها وفعاليتها. تسمح المبردات الحرارية بالتحكم في درجة الحرارة وبالتالي تمكين الأجهزة من العمل كما هو متوقع على المدى الطويل.
تسامحات المبرد الحراري
| عامل | التسامح النموذجي |
| التسامح البُعدي | ±0.1 mm to ± 0.5 mm |
| الاستواء | ± 0.05 mm to ± 0.1 mm over 100 mm |
| التعامدية | ± 0.1 mm per 100 mm |
| التوازي | ± 0.1 mm per 100 mm |
| التشطيب السطحي (Ra) | 1.6 µm to 3.2 µm |
| موقع الثقب | ± 0.1 مم |
| سمك الزعنفة | ± 0.1 مم |
| تباعد الزعانف | ± 0.1 مم |
| التوصيلية الحرارية | ± 5% |
| تسامح الوزن | ± 5% |
أنواع المبردات شرح
المبردات هي عمومًا مثالية للأجهزة الإلكترونية للتحكم في الحرارة وتفريغها. وهي تأتي في فئات مختلفة حسب عوامل مثل التدفق، المادة، واتجاه الأجنحة. إليك الفئتين الرئيسيتين:
المبردات النشطة
تعتبر المبردات النشطة فعالة للغاية. وهي متصلة مباشرة بمصدر الطاقة للجهاز وتستخدم تقنية الحمل القسري، حيث يتم تدوير الهواء أو السائل فوق المكونات الساخنة لتسهيل انتقال الحرارة.
عادة ما يتم استخدام المبردات النشطة في وحدات معالجة الرسومات (GPU) ووحدات المعالجة المركزية (CPU) حيث تكون تبديد الحرارة أمرًا بالغ الأهمية. تتضمن بعض التصاميم أيضًا أنظمة التبريد السائل لتعزيز أنظمة التبريد الخاصة بها. عادة ما يتم تثبيت المراوح على جانب أو أعلى المبرد وتكون جزءًا من عملية التبريد.
المبردات الحرارية السلبية
عادةً ما تعتمد المبردات الحرارية السلبية على تيارات الحمل الحراري لنقل الحرارة من المكون. على عكس المبردات الحرارية النشطة، فهي لا تتطلب طاقة إضافية أو أجزاء مثل المراوح للعمل. فهي تعتمد على تيارات الحمل الحراري التي تتشكل حول الجهاز للمساعدة في عملية تبريد الحرارة المتولدة. في حين أن المبردات الحرارية النشطة أفضل في التبريد، إلا أن المبردات الحرارية السلبية أرخص ولا تحتاج إلى طاقة كهربائية للعمل.
علاوة على ذلك، يتم استخدام هذه المبردات عادةً في الأجهزة التي لا تتطلب تبديد حرارة مرتفع، مثل المتحكمات الدقيقة، والمعالجات الدقيقة، والشرائح. نظرًا لسهولة استخدامها، يتم استخدام المبردات الحرارية السلبية في التطبيقات الحساسة للتكلفة والطاقة.
اختيار بين المبرد النشط والسلبي هو اعتبار رئيسي في تصميم الأجهزة. بسبب مراوح التبريد، لا تحتاج المبردات النشطة إلى مساحة سطح كبيرة لتبديد الحرارة. على العكس، تتطلب المبردات السلبية المزيد من مساحة السطح لتبديد الحرارة لأنه لا يوجد طريقة لتمرير الهواء عبر المبرد بخلاف الحمل الحراري.
يتم تصنيع المبردات في الغالب من الألومنيوم أو النحاس لتبريد المكونات الإلكترونية. أدناه هو توزيع كل مادة:
النحاس
يُفضل النحاس للمبددات الحرارية بسبب موصليته الحرارية العالية، التي تبلغ تقريبًا ضعف موصلية الألومنيوم، وتتراوح بين 200 إلى 400 واط/متر-كلفن. هذه الموصلية العالية تجعل النحاس أفضل موصل للحرارة بأفضل طريقة ممكنة. ومع ذلك، فإن النحاس أثقل بكثير وأكثر تكلفة من الألومنيوم. علاوة على ذلك، فهو أقل مرونة وقابلية للتشكيل، لذا لا يمكن تصنيعه وتشكيله بالشكل المرغوب.
ألومنيوم
يتم استخدام الألومنيوم في منتجات المبددات الحرارية لأنه خفيف الوزن وميسور التكلفة مقارنة بالمعادن الأخرى المتوفرة في السوق. ومع ذلك، فإن موصلية الحرارة العالية فيه، التي تبلغ حوالي نصف تلك التي في النحاس، تعني أنه لا يمكن استخدامه في نقل الحرارة. الألومنيوم سهل المعالجة، خفيف الوزن ويمكن تصنيعه على شكل صفائح رقيقة ولكن قوية بما فيه الكفاية؛ ومع ذلك، يعتمد معامل نقل الحرارة على الموصلية الحرارية للمادة.
نصائح تصميم للمبددات الحرارية
تصميم المبدد الحراري هو أحد الخطوات الأكثر أهمية التي يجب إتمامها لضمان التحكم الحراري الصحيح في الإلكترونيات. فيما يلي العوامل الرئيسية التي يجب أخذها في الاعتبار:
- اختيار المواد: لنوع المادة المستخدمة تأثير كبير على أداء المبرد الحراري:
- مواد الواجهة الحرارية (TIMs): تدرج مواد الواجهة الحرارية (TIMs) بين المشتت الحراري والمكونات، حيث تتمتع بمقاومة حرارية منخفضة نسبيًا لتحسين انتقال الحرارة. يتم استخدام مواد مثل الميكا لأنها موصلات أفضل من الهواء.
- مواد المشتتات الحرارية يُعتبر الألومنيوم والنحاس هما المواد الأكثر تفضيلًا للمشتتات الحرارية. يتم اختيار الألومنيوم بسبب تكلفته المنخفضة، وكثافته المنخفضة، وسهولة تشكيله، في حين أن النحاس يتمتع بقدرة أفضل على نقل الحرارة ويمكنه مقاومة التآكل. عندما يتم دمج هذين المعدنين، فإنه يتم إنشاء أحد أفضل المشتتات الحرارية، وهو مادة تُستخدم لتبديد الحرارة.
المواد المستخدمة في المشتت الحراري يمكنها نقل الحرارة، مما سيقلل من موثوقية مكونات الجهاز، التي تكون عرضة للتلف بسبب الحرارة.
التقنيات المستخدمة في إنتاج المبددات الحرارية.
عادةً ما توجد ثلاث طرق تصنيع رئيسية تستخدم عادةً لإنشاء المبددات الحرارية من الألومنيوم:
الآلات CNC هي تقنية تصنيع متقدمة تشمل عمليات الطحن والحفر والتلميع والتدوير. توفر هذه الطريقة مرونة حيث يمكن تطوير الأجزاء ذات الخصائص التصميمية المحددة حتى أدنى درجة من التحمل قدرها +/- 0.005''. إن الآلات CNC مناسبة بشكل خاص لتصنيع مبردات الحرارة ذات الأشكال المعقدة والمركبة. هذه المبردات المصممة بدقة مثالية للاستخدام في الأماكن التي تتطلب تبديد حراري عالٍ وهياكل معقدة. ومع ذلك، فإن دقة وجودة الآلات CNC تجعلها أكثر تكلفة من طرق القطع الأخرى.
البثق
تتضمن طرق البثق دفع المادة، مثل سبائك الألومنيوم، من خلال فتحة أو قالب معين لتحقيق ملف عرض مقطع مرغوب فيه. توفر عملية البثق فعالية من حيث التكلفة والقدرة على الإنتاج عندما يتعلق الأمر بإنتاج مبردات الحرارة. تعتبر عملية البثق مناسبة بشكل خاص لإنشاء مبردات حرارية معينة لأنها يمكن أن تشكل بسهولة سبائك الألومنيوم مثل 6063 التي تتمتع بموصلية حرارية عالية. ومع ذلك، فإن أحد العيوب في طريقة البثق هو الحد الأقصى لعرض المبردات الحرارية التي يمكن تطويرها، مما قد يحد من حجم المبرد الحراري.
السباكة بالقالب
السباكة بالقالب تتضمن وضع سبيكة الألومنيوم في فرن، إذابة المادة، وضغطها في قالب تحت ضغط. هذه الطريقة مرنة للغاية في التصميم، تتمتع بخصائص حرارية جيدة، وهي غير مكلفة نسبيًا للإنتاج الكبير. تعتبر القوالب الحرارية مثالية للأنظمة أو التطبيقات التي تعتمد على السمك والتوصيل الطبيعي. عملية السباكة بالقالب مناسبة بشكل خاص لإنشاء هندسة مبردات حرارية رقيقة وقوية ومعقدة، وتستخدم على نطاق واسع لإنشاء هياكل معقدة للمبردات الحرارية.
هياكل مبردات الحرارة
دعونا نستكشف هياكل مبردات الحرارة من خلال فحص ثلاثة أنواع متميزة: بعض أنواع مبردات الحرارة تشمل الألواح الباردة، ومبردات الحرارة ذات الزعانف المدببة، ومبردات الحرارة ذات الزعانف اللوحية.
الألواح الباردة
في عالم اليوم، تحتاج معظم الأجهزة الإلكترونية إلى تقنيات تبريد متطورة لمواجهة التحديات الحرارية التي تفرضها الدوائر الكهربائية ذات القدرة العالية. يتم استخدام الألواح الباردة، بما في ذلك الألواح السائلة، في الليزر عالي القدرة، وخلايا الوقود، وأنظمة تبريد البطاريات، ومحركات القيادة، والمعدات الطبية، وما إلى ذلك. تقوم هذه الأنظمة بتبريد مكون معين عن طريق نقل الحرارة من المكون المعني إلى سائل دوار. ينقل هذا الوسط الحرارة إلى مبادل حراري بعيد، حيث يتم إطلاق الحرارة إلى الجو أو إلى سائل آخر في دائرة تبريد ثانية.
مبردات الحرارة ذات الزعانف المدببة
يمكن وصف مبردات الحرارة ذات الزعانف المدببة بتصميم البثق الذي يتم فيه توفير مجموعة من المسامير. هذه المسامير، التي قد تكون أسطوانية أو بيضاوية أو مربعة الشكل في المقطع العرضي، ترتفع من محور مركزي. على الرغم من أن تكلفة تصنيع مبردات الحرارة ذات الزعانف المدببة منخفضة نسبيًا، إلا أنها أقل فعالية من المبردات الأخرى. تتمتع مبردات الحرارة ذات الزعانف المدببة بقدرة إزالة حرارية أقل من المبردات الأخرى، وبالتالي يتم استخدامها بشكل أقل تكرارًا مقارنةً، على سبيل المثال، بمبردات الحرارة ذات الزعانف.
مبردات الحرارة ذات الزعانف اللوحية
يتم تصنيع مبردات الحرارة ذات الزعانف اللوحية باستخدام زعانف مستقيمة تسهم بشكل كبير في زيادة مساحة سطح المبرد. إنها تحسن من تبديد الحرارة. هيكلها يتيح نقل الحرارة بعيدًا عن المكون بكفاءة، مما يجعلها نظام تبريد فعالًا. طرق تصنيع مبردات الحرارة ذات الزعانف اللوحية متنوعة، ويمكن تطبيق هذه المبردات في العديد من التطبيقات. غالبًا ما يتم تطبيقها على السطح الخارجي للغلافات والأغطية الميكانيكية وهي واحدة من أبسط وأكثر وسائل التبريد كفاءة. إنها لا تُحدث ضوضاء وتتطلب مصادر طاقة قليلة.
الخاتمة
يعد تصميم المبرد الحراري أمرًا حاسمًا في تحديد كفاءة الأجهزة الإلكترونية وعمرها الافتراضي. يمكن لتصميم جيد للمبرد الحراري أن يحسن بشكل كبير من تبديد الحرارة، مما يقلل من تأثيرات الحرارة على المكونات. لذلك، من المهم التمييز بين أنواع المبردات المختلفة ومعلمات التصميم المرتبطة بها لتطوير حل تبريد فعال.
تظل شركة Othala مصنعًا قيمًا لإنتاج تصاميم المبردات الحرارية لأفضل أداء. سيساعدك فريقنا من المهندسين المحترفين في تصميم مبردات حرارية تلبي احتياجاتك ومتطلباتك لسنوات عديدة. سواء كنت تقوم بتطوير العينة الأولى أو إنتاج آلاف النسخ، تقدم Othala تصنيعًا دقيقًا وتحسينات في التصميم لمشروعك.
