El disipador de calor es una parte esencial de los dispositivos electrónicos. Elimina el calor de los componentes eléctricos disipándolo en el aire circundante. Así, los disipadores de calor evitan el sobrecalentamiento de los componentes que pueden causar fallos o destrucción.
Normalmente construidos con metales de alto coeficiente de disipación térmica, como el aluminio o el cobre, los disipadores de calor mejoran la estabilidad y durabilidad de los dispositivos regulando sus temperaturas de funcionamiento. Se utilizan en procesadores (CPUs), transistores de potencia y otros sistemas electrónicos de alta potencia donde la disipación de calor es crítica.
¿Qué es un disipador de calor?
Un disipador de calor es un objeto metálico colocado sobre un chip, como un CPU, y su función principal es manejar el calor. Funciona tomando el calor del componente y enfriándolo a través de aletas metálicas, que enfrían el chip. Un disipador de calor es un dispositivo pasivo; no tiene partes móviles. Sin embargo, a menudo se usa con un ventilador que sopla aire caliente en la dirección opuesta. Además, puede incorporarse a un sistema de refrigeración líquida que transporta el calor a través de tubos a otro lugar.
Aplicaciones de los disipadores de calor en electrónica
Algunos de los usos más frecuentes de los disipadores de calor son los siguientes:
- Amplificadores de potencia: En los amplificadores de potencia, se utilizan disipadores de calor para reducir la temperatura de los transistores. Ayudan a eliminar el calor y a evitar que los transistores se dañen o se vean afectados por el calor, lo que garantiza su estabilidad.
- CPU En las computadoras, los disipadores de calor se utilizan para enfriar las CPUs y las tarjetas gráficas. Estos componentes producen bastante calor al realizar diversas tareas de procesamiento, y los disipadores de calor son útiles para disipar este calor rápidamente y evitar que afecte el rendimiento del hardware o incluso lo dañe.
- Optoelectrónica: Algunos dispositivos, como los LED y los láseres, necesitan disipadores de calor para gestionar el calor excesivo que generan. Si no se enfrían adecuadamente, estos componentes pueden sobrecalentarse, lo que sin duda reducirá su eficiencia y efectividad. Los disipadores de calor permiten el control de la temperatura y, por lo tanto, permiten que los dispositivos funcionen como se espera a largo plazo.
Tolerancias del disipador de calor
| Factor | Tolerancia típica |
| Tolerancia dimensional | ±0.1 mm to ± 0.5 mm |
| Planitud | ± 0.05 mm to ± 0.1 mm over 100 mm |
| Perpendicularidad | ± 0.1 mm per 100 mm |
| Paralelismo | ± 0.1 mm per 100 mm |
| Acabado superficial (Ra) | 1.6 µm to 3.2 µm |
| Ubicación del agujero | ± 0,1 mm |
| Espesor de la aleta | ± 0,1 mm |
| Espaciado de las aletas | ± 0,1 mm |
| Conductividad térmica | ± 5% |
| Tolerancia de peso | ± 5% |
Tipos de disipadores de calor explicados
Los disipadores de calor son generalmente óptimos para dispositivos electrónicos para controlar y liberar calor. Son de varias categorías dependiendo de factores como el flujo, el material y la orientación de las aletas. Aquí están las dos categorías principales:
Disipadores de calor activos
Los disipadores de calor activos se consideran altamente eficientes. Están directamente conectados a la fuente de energía del dispositivo y emplean la técnica de convección forzada, en la que el aire o un líquido se circula sobre los componentes calientes para facilitar la transferencia de calor.
Los disipadores de calor activos se utilizan normalmente en GPUs y CPUs donde la disipación de calor es crítica. Algunos diseños también incorporan sistemas de refrigeración líquida para mejorar sus sistemas de enfriamiento. Los ventiladores generalmente se montan en el costado o la parte superior del disipador de calor y participan en el proceso de enfriamiento.
Disipadores de calor pasivos
Los disipadores de calor pasivos generalmente dependen de las corrientes de convección para transferir el calor del componente. A diferencia de los disipadores de calor activos, no requieren potencia adicional ni partes como ventiladores para operar. Dependen de las corrientes de convección creadas alrededor del dispositivo para ayudar en el proceso de enfriamiento del calor generado. Mientras que los disipadores de calor activos son mejores para enfriar, los disipadores de calor pasivos son más baratos y no necesitan energía eléctrica para funcionar.
Además, estos disipadores de calor suelen emplearse en dispositivos que no requieren una alta disipación de calor, como microcontroladores, microprocesadores y chipsets. Debido a su facilidad de uso, los disipadores de calor pasivos se utilizan en aplicaciones sensibles al costo y a la potencia.
Elegir entre un disipador de calor activo y pasivo es una consideración importante en el diseño de dispositivos. Debido a los ventiladores de refrigeración, los disipadores de calor activos no requieren un área de superficie grande para la disipación de calor. En cambio, los disipadores de calor pasivos requieren más área de superficie para radiar calor, ya que no hay forma de forzar el aire a través del disipador de calor, aparte de la convección.
Los disipadores de calor generalmente están construidos con aluminio o cobre para enfriar los componentes electrónicos. A continuación se muestra la distribución de cada material:
Cobre
El cobre es preferido para los disipadores de calor debido a su alta conductividad térmica, aproximadamente el doble que el del aluminio, y puede variar de 200 a 400 W/m-K. Esta alta conductividad hace que el cobre sea el mejor conductor de calor de la mejor manera posible. Sin embargo, el cobre es mucho más pesado y costoso que el aluminio. Además, es menos flexible y maleable, por lo que no se puede fabricar y moldear en la forma deseada como se desee.
Aluminio
El aluminio se utiliza en productos de disipadores de calor porque es liviano y económico en comparación con otros metales disponibles en el mercado. Sin embargo, su alta conductividad térmica, aproximadamente la mitad de la del cobre, significa que no se puede usar para la transferencia de calor. El aluminio es fácil de procesar, liviano y puede producirse en hojas delgadas pero lo suficientemente fuertes; sin embargo, el coeficiente de transferencia de calor depende de la conductividad térmica del material.
Consejos de diseño para disipadores de calor
El diseño del disipador de calor es uno de los pasos más críticos que deben completarse para garantizar un control térmico adecuado en la electrónica. Aquí están los factores clave a tener en cuenta:
- Selección de Materiales: El tipo de material utilizado tiene una influencia significativa en el rendimiento del disipador de calor:
- Materiales de interfaz térmica (TIMs): Los TIMs se insertan entre el disipador de calor y los componentes, poseyendo una resistencia térmica relativamente baja para mejorar la transferencia de calor. Materiales como la mica se utilizan porque son mejores conductores que el aire.
- Materiales del Disipador de Calor El aluminio y el cobre son los materiales más preferidos para los disipadores de calor. Se elige el aluminio por su bajo costo, baja densidad y facilidad de conformado, mientras que el cobre tiene una mejor transferencia de calor y puede resistir la corrosión. Cuando se combinan estos metales, crean uno de los mejores disipadores de calor, un material utilizado para disipar el calor.
Los materiales utilizados en el disipador de calor pueden transferir el calor, lo que minimizaría la fiabilidad de los componentes del dispositivo, que son propensos a daños por calor.
Técnicas utilizadas en la producción de disipadores de calor.
Normalmente, hay tres métodos de fabricación clave comúnmente utilizados para crear disipadores de calor de aluminio:
El mecanizado CNC es una técnica de fabricación avanzada que incluye operaciones de fresado, perforado, rectificado y torneado. Este método ofrece flexibilidad, ya que se pueden desarrollar piezas con ciertas características de diseño hasta una tolerancia mínima posible de +/-0.005''. El mecanizado CNC es especialmente adecuado para la fabricación de disipadores de calor con formas complejas y complicadas. Estos disipadores de calor con ingeniería precisa son ideales para su uso en lugares donde se requieren una alta disipación térmica y una estructura intrincada. Sin embargo, la precisión y exactitud del mecanizado CNC lo hacen más costoso que otros métodos de corte.
Extrusión
Los métodos de extrusión consisten en forzar el material, como las aleaciones de aluminio, a través de una abertura o matriz con forma para lograr un perfil transversal deseado. La extrusión ofrece rentabilidad y eficacia a la hora de producir disipadores de calor. El proceso de extrusión es particularmente adecuado para crear disipadores de calor específicos porque puede formar fácilmente aleaciones de aluminio como la 6063, que tienen una alta conductividad térmica. Sin embargo, una de las desventajas del método de extrusión es el ancho máximo de los disipadores de calor que se pueden desarrollar, lo que puede limitar el tamaño del disipador de calor.
Fundición a presión
La fundición a presión consiste en colocar una aleación de aluminio en un horno, fundirla y forzarla en un molde bajo presión. Este método es muy flexible en diseño, tiene buenas propiedades térmicas y es relativamente barato para la producción a gran escala. Las fundiciones térmicas son ideales para sistemas o aplicaciones basados en el grosor y la convección natural. El proceso de fundición a presión es particularmente adecuado para crear geometrías de disipadores de calor delgadas, fuertes y complejas, y se utiliza ampliamente en la creación de estructuras complejas de disipadores de calor.
Estructuras de disipadores de calor
Exploremos las estructuras de los disipadores de calor examinando tres tipos distintos: Algunos tipos de disipadores de calor incluyen placas frías, disipadores de calor de pines y disipadores de calor de láminas.
Placas frías
En el mundo actual, la mayoría de los dispositivos electrónicos necesitan técnicas de refrigeración sofisticadas para enfrentar los desafíos térmicos planteados por los circuitos de alta potencia. Las placas frías, incluidas las líquidas, se aplican en láseres de alta potencia, pilas de combustible, sistemas de enfriamiento de baterías, controladores de motores, equipos médicos, etc. Estos sistemas de refrigeración enfrían un componente particular al transferir el calor desde dicho componente hacia un fluido circulante. Este medio transfiere el calor a un intercambiador de calor distante, donde el calor se libera a la atmósfera o a otro líquido en un segundo circuito de refrigeración.
Disipadores de calor de pines
Los disipadores de calor de pines se pueden describir mediante un diseño de extrusión en el que se proporciona un grupo de pines. Estos pines, que pueden ser cilíndricos, elípticos o cuadrados en su sección transversal, se elevan hacia arriba o hacia fuera desde un eje central. Aunque el costo de fabricación de los disipadores de calor de pines es relativamente bajo, son menos efectivos que otros disipadores de calor. Los disipadores de calor de pines tienen una capacidad de eliminación de calor inferior a otros disipadores de calor y, por lo tanto, se utilizan con menos frecuencia que, por ejemplo, los disipadores de calor de aletas.
Disipadores de calor de láminas
Los disipadores de calor de láminas están hechos con aletas rectas que contribuyen en gran medida al aumento del área superficial del disipador de calor. Mejoran la disipación de calor. Su estructura permite que el calor se aleje del componente de manera eficiente, convirtiéndolo en un sistema de enfriamiento eficiente. Los métodos de fabricación de los disipadores de calor de láminas son diversos, y estos disipadores de calor pueden implementarse en varias aplicaciones. A menudo se aplican en la superficie exterior de las carcasas y cubiertas mecánicas y son uno de los métodos más sencillos y eficientes de enfriamiento. No producen ruido y requieren fuentes de energía mínimas.
Conclusión
El diseño del disipador de calor es crucial para determinar la eficiencia y la vida útil de los dispositivos electrónicos. Un buen diseño de disipador de calor puede mejorar significativamente la disipación de calor, reduciendo los efectos del calor sobre los componentes. Por lo tanto, es importante diferenciar entre los diferentes tipos de disipadores de calor y sus parámetros de diseño asociados para desarrollar una solución de enfriamiento efectiva.
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