Chladič je jednou z nejzákladnějších součástí používaných k chlazení elektronických zařízení. Pokud zdroj tepla nedokáže efektivně odvádět teplo vlastním vedením tepla a vyžaduje účinnější chlazení, používá se chladič k přenosu tepla od zdroje a jeho rozptýlení optimalizovaným vedením a konvekcí.

Chladiče se široce používají ve výkonové elektronice, telekomunikačních zařízeních, serverech, LED osvětlení, automobilové elektronice a průmyslových zařízeních.

základní struktura chladiče

Typický chladič se skládá hlavně ze dvou částí:

• báze

• až

Základna je obvykle plochý povrch, který je v přímém kontaktu se zdrojem tepla. Jeho funkcí je přenášet teplo z aktivního místa a rovnoměrně ho rozvádět po žebrech.

Žebra jsou navržena tak, aby zvětšila celkovou plochu chladiče. Mohou být vyrobena v široké škále geometrií a obvykle jsou umístěna svisle od základny, aby se maximalizoval odvod tepla.

Primárním cílem konstrukce chladiče je maximalizovat povrchovou plochu, což umožní přenos většího množství tepla do okolního vzduchu.

materiály chladiče

Až na několik málo výjimek jsou chladiče vyrobeny z tepelně vodivých kovů, nejčastěji z hliníku nebo mědi.

hliník

Hliník je nejpoužívanějším materiálem pro chladiče.

• tepelná vodivost: 235 W/mK

• lehký

• nákladově efektivní

• snadná výroba

Díky těmto vlastnostem je hliník ideální pro lehká a ekonomická řešení chladičů.

měď

Měď je dalším oblíbeným materiálem pro chladiče.

• tepelná vodivost: ~400 W/mK

• vyšší schopnost přenosu tepla

Ačkoli je měď těžší a dražší, je často potřebná ve vysoce výkonných tepelných aplikacích.

přirozená konvekce vs. nucená konvekce

Chladiče se obvykle dělí do dvou kategorií na základě podmínek proudění vzduchu.

přirozená konvekce (pasivní chlazení)

Pasivní chladiče se spoléhají výhradně na přirozené proudění vzduchu k odvodu tepla.

jsou navrženy tak, aby:

• maximalizovat plochu povrchu

• umožňují přirozenou cirkulaci vzduchu

• fungují bez dalších aktivních komponent

Pasivní chladiče se běžně používají v nízkopříkonových elektronických zařízeních.

nucená konvekce (aktivní chlazení)

Aktivní chladiče používají ventilátory nebo dmychadla k protlačování vzduchu přes žebra.

Toto nucené proudění vzduchu vytváří turbulenci, což výrazně zvyšuje účinnost přenosu tepla a chladicí výkon.

Řešení aktivního chlazení se široce používají v:

• servery

• výkonová elektronika

• vysoce výkonné výpočetní systémy

běžné typy chladičů

K výrobě chladičů se používá několik výrobních technologií, z nichž každá je vhodná pro jiné tepelné požadavky a aplikace.

1. lisované chladiče (na úrovni desky)

Lisované chladiče se vyrábějí z plechu pomocí progresivních lisovacích procesů. Každý krok lisování přidává prvky a detaily, jak kov prochází matricí.

Tyto chladiče jsou obvykle navrženy pro specifické typy elektronických pouzder, aby bylo zajištěno optimální uchycení na desky plošných spojů (PCB).

Mohou fungovat v pasivním režimu nebo obsahovat ventilátor pro zvýšení proudění vzduchu po celé desce.

výhody

• ideální pro aplikace s nízkým příkonem (0–5 W)

• rychlá a jednoduchá montáž

• nízké výrobní náklady

• škálovatelné pro velkoobjemovou výrobu

• k dispozici pro mnoho typů balíčků

nevýhody

• není vhodné pro aplikace nad 5 W

• omezená velikost (obvykle pod 50 mm)

• určené k chlazení pouze jednoho zařízení

2. extrudované hliníkové chladiče

Extruze je jednou z nejoblíbenějších a cenově nejvýhodnějších metod výroby chladičů.

Extrudované chladiče se liší velikostí v závislosti na aplikaci. Menší verze se používají pro chlazení na úrovni desky, zatímco větší jsou navrženy pro chlazení středního výkonu.

Lze je optimalizovat pro pasivní i aktivní chlazení v závislosti na geometrii žeber a rozteči.

Extrudované chladiče na úrovni desek plošných spojů se běžně používají pro součástky, jako jsou:

• BGA

• FPGA

Proces extruze začíná profilovací matricí, která definuje strukturu žeber, rozteč a rozměry základny. Zahřátý hliník je poté protlačován matricí a vytváří tak dlouhý profil, který je později nařezán na požadovanou délku a dále zpracováván.

výhody

• ideální pro aplikace se středním výkonem

• nákladově efektivní výroba

• vysoce škálovatelný pro hromadnou výrobu

• snadné přizpůsobení

• jednodílná konstrukce s nízkým tepelným odporem

nevýhody

• není vhodné pro aplikace s velmi vysokým výkonem

• omezení velikosti (přibližně 23 palců na šířku a 47 palců na délku)

• Velké profily mohou mít omezení povrchové úpravy

3. chladiče s broušenými žebry

Skiving je obráběcí proces, při kterém se žebra tvoří přímo z pevného kovového bloku. Tenké vrstvy se od základny odřezávají a přehýbají směrem nahoru, čímž vznikají žebra.

Protože žebra a základna jsou vyrobeny ze stejného kusu materiálu, nejsou zde žádné spoje ani rozhraní, což snižuje tepelný odpor.

Tento proces také umožňuje velmi tenká žebra a vysokou hustotu žeber, což výrazně zvyšuje celkovou plochu povrchu.

Na rozdíl od extruze nevyžaduje skiving žádné specializované nástroje, což snižuje náklady na nástroje a umožňuje rychlejší výrobu prototypů.

výhody

• vysoká účinnost chlazení

• tenké žebra a vysoká hustota žeber

• nižší náklady na nástroje

• ekonomické pro měděné chladiče

nevýhody

• není ideální pro aplikace s extrémně vysokým výkonem

• omezení velikosti

• tenké ploutve mohou být křehčí

• méně vhodné pro velmi velké objemy výroby

4. chladiče s lepenými a pájenými žebry

Chladiče s lepenými žebry se skládají ze dvou hlavních komponent:

• základna (extrudovaná nebo obráběná)

• jednotlivé žebra připevněné pomocí tepelně vodivého lepidla, epoxidu nebo pájení

Žebra jsou obvykle ražena z tenkého plechu, zatímco základna může být extrudována, tlakově lita nebo obráběna.

Do základny lze pro zlepšení výkonu integrovat i další tepelné technologie, jako jsou tepelné trubice nebo parní komory.

Chladiče s lepenými žebry poskytují větší flexibilitu designu a umožňují vyšší hustotu žeber na menším půdorysu.

výhody

• kompaktní design pro aplikace s omezeným prostorem

• vysoký tepelný výkon

• vhodné pro nucenou konvekci

• úzké rozestupy žeber

• vysoké poměry stran ploutví

• flexibilní integrace designu

• nižší náklady na nástroje

nevýhody

• není ideální pro prostředí s vysokými vibracemi

• není vhodné, pokud je požadovaný tepelný odpor nižší než 0,01 °C/W

5. chladiče zipových ploutví

Ploutve zipu jsou vyrobeny ze série jednotlivě lisovaných plechových ploutví, které jsou složené a vzájemně propojené.

Tyto ploutve lze uspořádat buď:

• uzavřené kanály pro směrované proudění vzduchu

• otevřené konfigurace pro vícesměrné proudění vzduchu

Žebrovaný svazek je obvykle připevněn k základně chladiče nebo tepelným trubicím pájením, pájením nebo epoxidovým spojem.

Tato konstrukce nabízí vynikající mechanickou stabilitu a vysokou flexibilitu pro integrovaná tepelná řešení.

výhody

• vysoký tepelný výkon

• ideální pro aplikace s nuceným prouděním vzduchu

• flexibilní integrace designu

• nižší náklady na nástroje

• lehký

• může zlepšit účinnost tepelných trubic

• zvýšená mechanická stabilita

nevýhody

• určitá omezení pro extrémně nízké požadavky na tepelný odpor

6. chladiče se skládanými žebry

Skládaná žebra se vytvářejí ohýbáním tenkých kovových plechů do složitých tvarů pro zvětšení plochy povrchu.

Tato žebra jsou obvykle lepena nebo pájena k základně a tvoří finální sestavu chladiče. Technologie skládaných žeber může být také použita v řešeních s kapalinovými chladicími deskami.

výhody

• zvětšený povrch

• vysoká účinnost žeber

• kompatibilní s více materiály

• lehká konstrukce

nevýhody

• nejlepších výsledků dosahuje, když je proudění vzduchu vedeno přímo skrz žebra

• vyšší výrobní náklady v některých případech

7. tlakově lité chladiče

Chladiče lité pod tlakem se vyrábějí jako jednodílné konstrukce s použitím roztaveného kovu vstřikovaného do zakázkových forem.

Tato výrobní metoda je ideální pro velkoobjemovou výrobu a umožňuje složité geometrie, kterých by bylo obtížné dosáhnout jinými procesy.

Po odlití je pro dosažení konečného produktu nutné minimální obrábění a konečná úprava.

výhody

• ideální pro velkoobjemovou výrobu

• vhodné pro složité tvary

• nízký nebo téměř nulový tepelný odpor

nevýhody

• vysoké počáteční náklady na nástroje a formy