ทำไมฮีทซิงค์ฉนวนทางไฟฟ้าจึงหายากมาก? มันมีค่าใช้จ่ายเหรอ?

แก้ไข: ดูเหมือนคำถามเริ่มต้นของฉัน (ทำไมไม่มีฉนวนฮีทซิงค์?) ตั้งอยู่บนพื้นฐานของข้อเท็จและในความเป็นจริงมีการป้องกันฮีทซิงค์ - ฉันไม่สามารถค้นหาด้วยการค้นหาคร่าวๆ ดังนั้นฉันจะเปลี่ยนสิ่งนี้เพื่อถามเกี่ยวกับความหายากของพวกเขาแทน

ฮีทซิงค์ทำจากอลูมิเนียมทองแดงหรือส่วนผสมบางอย่างเกือบทั้งหมดในระดับสากล เรื่องนี้ทำให้รู้สึก; อลูมิเนียมและทองแดงนั้นใช้งานง่ายและมีค่าการนำความร้อนสูง แต่เพชรมีหนึ่งในค่าการนำความร้อนที่สูงที่สุดของสารใด ๆ ที่รู้จัก - แน่นอนว่าเพชรประเภทที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานในฐานะฮีทซิงค์นั้นมีราคาแพงเกินไปที่จะพูดอย่างน้อยที่สุดเพราะมันอาจจะต้องเป็นหนึ่งเดียว คริสตัลคุณภาพอัญมณี แต่จะไม่สามารถใช้งานได้เช่นลูกบาศก์โบรอนไนไตรด์ซึ่งมีค่าการนำความร้อนใกล้เคียงกันหรือไม่?

และใช่ปัญหาในการผลิตด้วยการทำผลึกเดี่ยวขนาดใหญ่ของ c-BN น่าจะประมาณเดียวกับการสร้างผลึกเดี่ยวขนาดใหญ่ของเพชร แต่ฉันคาดว่าราคาสุดท้ายจะไม่มากนักเพราะไม่มีกลุ่ม De Beers มาหาคุณเพื่อโบรอนไนไตรด์ และแน่นอนว่ามีสารประกอบที่ไม่ใช่โลหะอื่น ๆ ที่มีค่าการนำความร้อนที่ดีและบางส่วนก็น่าจะเหมาะกว่าสำหรับการผลิต ฉันสงสัยว่าพวกเขาจะสามารถเข้าถึงจุดราคาของอลูมิเนียมอัดขึ้นรูปได้ แต่บางครั้งคุณก็ต้องการประสิทธิภาพที่สูงขึ้น

ดังนั้นโดยสรุปคำถามของฉันคือ: มีค่าใช้จ่ายเพียงอย่างเดียวที่ทำให้ฮีทซิงค์ที่ไม่ใช่โลหะหายากมากหรือมีข้อเสียอื่น ๆ ที่ทำให้พวกเขาเป็นที่ต้องการน้อยกว่าการใช้งานที่ลึกลับที่สุด?

สิ่งหนึ่งที่คำตอบอื่น ๆ ที่ดูเหมือนจะไม่ครอบคลุมก็คือคุณจะต้องมีชั้นฉนวนไฟฟ้า (ที่แรงดันไฟฟ้าเล็กน้อย) ในขณะที่ส่วนที่กระจายความร้อนของแผ่นระบายความร้อนทำงานได้ดีที่สุดถ้ามันหนา ดังนั้นจึงมีประสิทธิภาพมากขึ้นในการใช้ฉนวนป้องกันไฟฟ้าบาง ๆ ตามด้วยฮีทซิงค์โลหะหนาราคาถูกและทำง่ายกว่าที่จะใช้ชิ้นส่วนของวัสดุที่เป็นตัวนำความร้อนและฉนวนไฟฟ้า วัสดุบางอย่างที่มีอยู่ (เช่นเพชร) ไม่สามารถอัดขึ้นรูปหรือเกิดเป็นรูปฮีทซิงค์ได้ง่าย บางชนิดสามารถเผา แต่การเผาผนึกไม่สามารถเข้าถึงการนำความร้อนของวัสดุจำนวนมากได้ ผลกระทบทางวิศวกรรมของวิทยาศาสตร์วัสดุทั้งหมดนี้คือเราได้ทำสิ่งที่เราทำมาตลอด

อีกหนึ่งปัจจัยคือนโยบายสต็อก: โดยการปล่อยฮีทซิงค์ที่มีขนาดใหญ่และมีขนาดเล็กลง (เนื่องจากไม่จำเป็นต้องใช้เสมอ) ของแผ่นฉนวนขนาดเล็กที่บอบบางของคุณสต็อกของคุณใช้พื้นที่จัดเก็บและทุนน้อยกว่า ค่าใช้จ่ายและประสิทธิภาพนั้นดีกว่าโดยไม่มีฉนวนเมื่อไม่ต้องการ

นี่เป็นปัญหาใหม่แทบจะไม่ พวกเราที่อายุเท่ากันจำฮีทซิงค์ด้วยฉนวนแก้วสำหรับแพ็คเกจ TO-220 และ TO-3

ปัญหา (ในเวลานั้น) คือทั้งต้นทุนวัสดุและความพร้อมใช้งานและวัสดุศาสตร์ เราได้ทำความเข้าใจเกี่ยวกับการนำความร้อนของสารประกอบต่าง ๆ มาเป็นเวลานาน แต่มันก็ยังเป็นเทคโนโลยีที่ค่อนข้างใหม่ (มีหลายสิ่งหลายอย่างเช่นแผ่นนำความร้อนที่มีมานานหลายสิบปี แต่ไม่ใช่ฮีทซิงค์ในตัวของมันเอง ขวา).

TO-220 มีตัวกระจายความร้อนบนตัวสะสม / ท่อระบายน้ำของอุปกรณ์ซึ่งโดยทั่วไปจะมีแรงดันไฟฟ้าสูงดังนั้นการจัดเรียงแบบทั่วไปจึงใช้เทคนิคนี้:

แหล่ง

มันไม่ใช่เรื่องแปลกที่จะใช้แผ่นความร้อนเช่นกันเพื่อเพิ่มการถ่ายเทความร้อนให้สูงสุด

ตอนนี้ไม่ได้อธิบายความหายากแบบสัมพัทธ์ของฮีทซิงค์แบบรวม ที่ลงมาสู่ 'มันจำเป็น' หรือฉันสามารถใช้วิธีการที่รู้จักกันดีของแผ่นระบายความร้อนและวัสดุป้องกันฉนวนด้วยไฟฟ้าซึ่งมีราคาไม่แพง (อย่างน้อยก็ในปัจจุบัน)

วิธีการทดลองและความจริงแบบเก่าให้บริการได้ดีมานานหลายทศวรรษ แต่สำหรับบางแอปพลิเคชัน (โดยเฉพาะในอุปกรณ์ขนาดเล็ก) การแก้ปัญหาอาจไม่เหมาะสม

มีค่อนข้าง ไม่กี่ ข้อเสนอ ใช้ได้แต่พวกเขามีแนวโน้มที่จะเป็นบิตแพงมากขึ้น (บนพื้นฐานต่อวัตต์) นอกจากนี้ยังมีจำนวนมากของการวิจัยในอื่น ๆวัสดุ

แน่นอนว่าสำหรับปัจจัยการกะพริบคุณสามารถใช้สิ่งเหล่านี้ได้

ดังนั้นจึงมีหลายสิ่งหลายอย่างและค่าใช้จ่ายเป็นตัวขับเคลื่อนหลัก ฉันจะทราบด้วยว่าตลาดขนาดใหญ่สำหรับชุดระบายความร้อนสำหรับซีพียูและ GPU ซึ่งกรณีของ IC นั้นถูกหุ้มด้วยระบบไฟฟ้าอยู่แล้ว

ฮีทซิงค์ของพอลิเมอร์สมควรได้รับการกล่าวถึง ฮีทซิงค์ของพอลิเมอร์ไม่ใช่เรื่องแปลก ฉันเจอพอลิเมอร์ฮีตซิงก์จมสินค้าอุตสาหกรรมยานยนต์สินค้าบริโภคเป็นครั้งคราว พวกมันมักจะยากที่จะรับรู้ในฐานะฮีทซิงค์เพราะพวกมันมีจุดประสงค์เชิงกลที่สอง (สิ่งที่แนบมาวงเล็บเหลี่ยมตัวสะท้อนแสงของหลอดไฟ) ครีบระบายความร้อนเหล่านี้เป็นชิ้นส่วนที่ขึ้นรูปด้วยการฉีดแบบกำหนดเองเสมอ

$\mathrm{20 \frac {W} {m\cdot K} }$$\mathrm{200 \frac {W} {m\cdot K} }$

E2 คือพลาสติก ( แหล่งที่มา )

การอภิปรายเพิ่มเติมในคำตอบเก่านี้

สิ่งที่เกี่ยวกับชุดระบายความร้อนคือมีเพียงสองวิธีในการกำจัดความร้อนการนำและรังสีในที่สุด

ในที่สุดสมมติว่า emmisivity ของคุณอยู่ใกล้กับ 1 (สำคัญจริงๆถ้าคุณสามารถเรียกใช้ HOT การสูญเสียพลังงานจากการแผ่รังสีคือพลังงานที่ 4 ของอุณหภูมิสัมบูรณ์) และคุณสามารถทำให้สิ่งนั้นมีการสัมผัสทางความร้อนที่ดีกับสื่อการทำความเย็นโดยรอบ น้ำอะไรก็ตามที่คุณทำมันมีเพียงเล็กน้อย (อินเทอร์เฟซนั้นเป็นตัวฆ่าเพื่อประสิทธิภาพไม่ใช่ค่าการนำความร้อนจำนวนมากของฮีทซิงค์)

ตอนนี้เห็นได้ชัดว่าคุณต้องออกแบบฮีทซิงค์เพื่อให้ความร้อนเดินทางผ่านได้อย่างมีประสิทธิภาพพอสมควรและในพื้นที่ที่มีความหนาแน่นฟลักซ์พลังงานจำนวนมากที่อาจโต้เถียงกับสิ่งอื่นจากนั้นเป็นพันธมิตรสำหรับกลุ่มของสิ่งที่คุณมีโลหะมากมาย เพื่อให้เดลต้า T ต่ำถูกที่สุดดีที่สุด

สำหรับเครื่องกระจายความร้อนหรือเครื่องซักผ้าหุ้มฉนวนมันแตกต่างกันแน่นอนเครื่องกระจายความร้อนตามคำจำกัดความถูกใช้เมื่อความหนาแน่นฟลักซ์พลังงานสูงมากและการต้านทานความร้อนน้อยที่สุดเป็นสิ่งที่ดีมากดังนั้นการใช้ทองแดงในบทบาทนี้ตามปกติ

สำหรับฉนวนคุณเห็นวัสดุแปลกใหม่ที่ใช้เพราะตัวนำความร้อนที่ดีซึ่งเป็นฉนวนไฟฟ้านั้นไม่ธรรมดาดังนั้นโบรอนไนไตรด์, อลูมินา, อลูมินา, เบริลเลียมออกไซด์ (!) และสิ่งที่เหมือนกันทั้งหมดเห็นบริการที่นี่และฉันจะไม่ ใครบางคนกำลังใช้เพชร (ในอุปกรณ์ RF แปลก ๆ )

จากมุมมองทางเทคนิคมันเป็นไปได้อย่างแน่นอนในการผลิตฮีทซิงค์ด้วยแผ่นแยกอิเล็กโทรดในตัว เหตุผลที่พวกเขาไม่ทำคือเศรษฐศาสตร์

ระหว่างตัวเลือกเชิงกล, ไฟฟ้าและความร้อนที่แตกต่างกันมีการผสมผสานที่แตกต่างกันมากมาย หากตัวแยกและฮีทซิงค์เป็นส่วนหนึ่งแล้วผู้ขายจะต้องเก็บหมายเลขส่วนที่ไม่ซ้ำกันมากขึ้น

ด้วยการแยกตัวแยกและตัวระบายความร้อนออกเป็นผลิตภัณฑ์ที่ไม่เหมือนใครผู้ใช้มีตัวเลือกมากมาย

นี่คือสิ่งที่ต้องพิจารณา

1) ในหลายกรณีผู้ใช้จะใช้ช่องว่างระหว่างแผ่นระบายความร้อนและส่วนประกอบที่ร้อน ซึ่งหมายความว่าผู้ใช้แต่ละคนจะต้องการแผ่นให้มีความหนาแตกต่างกัน

2) วัสดุแผ่นตัวแยกความร้อนนั้นมีความแตกต่างกันในเรื่องของความสามารถในการสอดคล้องกับพื้นผิวที่ขรุขระ มักจะมีการค้าระหว่างวัสดุที่มีความอ่อนนุ่มและความร้อนจัด

3) ผู้ใช้ที่แตกต่างกันจะมีความต้องการการแยกที่แตกต่างกันในแง่ของแรงดันไฟฟ้า มีการแลกเปลี่ยนระหว่างแรงดันไฟฟ้าแยกความหนาของวัสดุและความต้านทานความร้อนคือ

3) การเพิ่มฉนวนระหว่างแผ่นระบายความร้อนและชิ้นส่วนมีโทษในแง่ของความต้านทานความร้อน หากเป็นไปได้ที่จะไม่ใช้ชั้นฉนวนคุณจะได้รับประสิทธิภาพการระบายความร้อนที่ดีที่สุดในกรณีนั้น

การประนีประนอมที่ดีที่สุดคือการทำให้ชั้นพื้นที่ผิวขนาดใหญ่บางมากมีแรงดันไฟฟ้าสูง [kV / mm] ที่มีความแข็งเพียงพอที่จะไม่ถูกตัดหรือเจาะ แต่ต้องมีต้นทุนต่ำ

คุณสมบัติของฉนวนความร้อนนำไฟฟ้า ได้แก่ ;

Cost-effective
Resistant to tears and cut-through
High dielectric strength
UL94 VO rated options available
Low ageing rate: Pads do not dry out, ooze out or crack  
Gap Filling, if burrs, roughness or planarity is a problem
Compatibility (gas sensors must be non-silicone and LED interfaces must be non-organic)
Low dielectric constant for capacitance load on collector/drain tabs on high dV/dt high voltage drivers

ฉนวนไฟฟ้าทั้งหมดคือ "dielectrics" ฮีทซิงค์ทั้งหมดเป็นตัวนำความร้อนที่ดี
แต่ในของแข็งมันอาจมีราคาแพงที่จะมีทั้งคุณสมบัติที่ดี
วัสดุเปลี่ยนเฟสที่เปลี่ยนของเหลวภายใต้ความกดดันเพื่อให้ได้วิธีแก้ปัญหาที่เป็นไปได้

ซีพียูมีแนวโน้มที่จะใช้กระจกเซรามิกเป็นตัวระบายความร้อนกับฮีทซิงค์เนื่องจากมีคุณสมบัติที่แบนมาก

สำหรับสายแรงดันไฟฟ้า Triacs, แก้วเป็นวัสดุที่ดีที่สุดสำหรับการป้องกันชีพจร 5kV และการนำความร้อนด้วยความร้อนจาระบี

ของเหลวไดอิเล็กทริกเช่นน้ำมันหม้อแปลงยังเป็นฉนวนความร้อนที่ดีเมื่อมีการไหลของความร้อน

ตัวเลขของบุญสำหรับการเปรียบเทียบวัสดุฉนวนความร้อนที่ใช้สื่อกระแสไฟฟ้าใช้;

ค่าการนำความร้อน[W / mK] ,
ความหนา[um] , ความแข็งฝั่ง[00] , ค่า
ความเป็นฉนวน[kV / mm]และ
ความต้านทานความร้อน[˚C-cm² / W]

$\frac{V}{mm} \cdot \frac{°C\cdot mm}{W}$$\frac{kV}{mm} /\frac{W}{m-K}$

โซลูชันดั้งเดิม เป็น Mica, เทป 3M และเทปโพลิเมอร์บางอัน

โซลูชันประหยัดที่ดีที่สุดของ Aavid Thermalloy คือ:

Thermalsil III

  uses finely woven glass cloth with a silicone elastomer binder 0.152mm thick
  Dielectric Strength :  26 kV/mm     
  Thermal Conductivity: 0.92 W/m'C   
  UL 94V-0

สำหรับการกำจัดความร้อนในอากาศแบบบังคับมันไม่ใช่ CFM ที่นับ แต่มักจะถูกรายงาน แต่มันคือความเร็วลมบนพื้นผิวที่ปั่นป่วนที่ควบคุมความเย็นในค่าเฉลี่ย [m / s]

ผลิตภัณฑ์ของพารามิเตอร์ทั้งสองนี้นำไปสู่คุณสมบัติของวัสดุที่ดีที่สุด แต่ไม่ใช่ราคาที่ถูกที่สุด

จริงๆแล้วมันมีทางออกที่ดีคืออลูมิเนียม อลูมิเนียม Anodization เปลี่ยนผิวเป็นอะลูมิเนียมออกไซด์ซึ่งเป็นฉนวน ข่าวดี: พื้นที่ผิวเพิ่มขึ้นเพื่อช่วยนำความร้อนสู่อากาศแวดล้อม ข่าวดีไม่ใช่พื้นผิวที่ราบเรียบและเรียบเนียนเพื่อติดต่ออุปกรณ์ไฟฟ้าที่ทำให้เกิดความร้อน วิธีแก้ปัญหา: สารประกอบเชิงความร้อน (หรือ "จาระบี") หมายเหตุสำคัญ: มีหลายขั้นตอนในการชุบอะลูมิเนียม ของสวย ๆ ส่วนใหญ่คือ "Class I" ซึ่งอ่อนหรือ "Class II" ซึ่งค่อนข้างยาก คุณสามารถใช้ Class II หากไม่มีการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ของอุปกรณ์ที่จะทำให้เย็นลงและถูกยึดเข้ากับแผ่นระบายความร้อนอย่างแน่นหนาและไม่มีครีบหรือรอยขีดข่วน มากเกินไป " ถ้า " s & ""สำหรับคุณหรือไม่จากนั้น" ระดับ III "เป็นสิ่งที่คุณต้องการมันมีสีที่ไม่สม่ำเสมอและสีดำมีสีน้ำตาลหรือสีม่วงมันเกือบจะแข็งเหมือนเพชรและมีรอยขีดข่วนค่อนข้างมาก แต่ไม่มีฉนวนในแรงดันไฟฟ้าที่สมเหตุสมผลกองทัพและการบินและอวกาศใช้สิ่งนี้มานานกว่า 50 ปีไม่ว่าจะเป็นเครื่องซักผ้าแบบบาง (~ 0.025 ") (คล้ายกับเครื่องทำแก้วฉนวน TOA-3) หรือทั้งตู้ (คิดว่าขีปนาวุธ) หายากวันนี้และค่าใช้จ่ายมากกว่าโซลูชั่นอื่น ๆ แต่ทำงานได้ดี

สำหรับ "จาระบี" ให้ใช้ซิลิโคน (ไม่ใช่ปิโตรเลียม), อลูมิเนียมออกไซด์ (ไม่ใช่ซิงค์ออกไซด์) จาก Dow, Shin-Etsu, Fuji-Poly หรือ Saint-Gobain สิ่งที่ใช้เงินและทองแดงในการโอเวอร์คล็อกสำหรับการใช้งานเกมเมอร์ของพีซีนั้นมีราคาแพงและเป็นสื่อกระแสไฟฟ้า นี่เป็นสิ่งที่ใช้ได้กับการลบล้าง Class III ตราบใดที่มันไม่ได้ย้าย, ตก, แห้ง, เป็นผงหรือเกล็ด ฯลฯ ไปยังสิ่งที่มีอยู่ในปัจจุบัน (ไม่ต้องใช้) หากคุณต้องการความร้อนเป็นสองเท่ากับไขมันจาระบีเบริลเลียมจะดีกว่าอะลูมิเนียมออกไซด์หลายเท่า เพียงรักษาเหมือนใยหิน: อย่าเลียมันอย่ากินอย่าหายใจเข้ามันเป็นผิวหนังที่ระคายเคืองดังนั้นสวมถุงมือและเตรียมพร้อมสำหรับการโจมตีของ "การล่าแม่มดแม่มด" จาระบีเหล่านี้จะต้องมีความหนาเพียง 0.0001 "ถึง 0.0005" ภายใต้อุปกรณ์ (ชนิดโปร่งแสง) ใช้กับพลาสติกปาดน้ำพลาสติกหรือโลหะขนาดเล็ก; สำหรับปริมาณการผลิตใช้ลายฉลุ (วัสดุลายฉลุชนิดเดียวกันที่ใช้สำหรับการวางประสาน ~ 0.005 "SS) และไม้กวาดหุ้มยาง

ฉันเคยเห็นแผงระบายความร้อนที่มีการเคลือบเซรามิกบาง ๆ ในบริเวณที่ติดตั้ง แต่ความแตกต่างของ Cte เป็นปัญหาและสามารถทำให้เซรามิกบางแตกได้

หวังว่าสิ่งนี้จะช่วยได้ฉันได้สิ่งนี้มาจากการล่องลอยระหว่างอิเล็กตรอนและอิเล็กตรอนมากกว่า 40 ปี

โดยรวมฉันสงสัยว่าการหลีกเลี่ยง "การสึกหรอ" ในสนามและการทดแทนที่มีราคาแพงเป็นเหตุผลสำคัญสำหรับการใช้งานทั่วไปที่หลีกเลี่ยงการเกิดผลึกฮีทซิงค์ ไม่ได้บอกว่าฮีทซิงค์ของโลหะจะไม่ล้มเหลวในสนาม แต่โดยทั่วไปการเปลี่ยนฮีทซิงค์โลหะในสนามจะมีราคาถูกกว่ามากและต้องใช้อุปกรณ์พิเศษน้อยกว่าเมื่อเทียบกับฮีทซิงค์แบบผลึก

นั่นคือจุดเริ่มต้นของฮีทซิงค์ของผลึกโดยทั่วไปแล้วจะมีราคาแพงสำหรับเครื่องจักรในการสร้างรูปร่างและการแตกหักที่เหมาะสมจะเกิดขึ้นเนื่องจากความร้อนและความเครียดเชิงกล คุณอาจยังคงอยู่ในค่าใช้จ่ายทั้งหมดที่ยอมรับได้หากสิ่งที่เกิดขึ้นที่โรงงานฮีทซิงค์พิเศษ แต่มันก็ไม่ใช่เรื่องแปลกสำหรับผู้ผลิตแอพพลิเคชั่นปลายทางที่จะต้องตัดฮีทซิงค์ให้พอดี ฯลฯ

ครั้งที่สองในแอปพลิเคชั่นที่มีการระบายความร้อนจำนวนมากฮีทซิงค์ประสบกับความร้อนและการกระแทกเชิงกลและการสั่นสะเทือนซึ่งอาจอยู่นอกอัตราการรอดชีวิต 100% สำหรับฮีทซิงค์แบบผลึก ฮีทซิงค์โลหะเก่าที่ดีในทางกลับกันอาจใช้การละเมิดและการโค้งงอได้บ้าง บางคนทำหน้าที่รองเป็นจุดยึดเชิงกลกับแชสซีด้านนอกของชุดประกอบขนาดใหญ่ขึ้น

ในกรณีของผลึกฮีทซิงค์ตัวยึดอาจกลายเป็นจุดที่เกิดความล้มเหลวแทนฮีทซิงค์ ตัวยึดที่นุ่มนวลจะทำให้เกิดความเสียหายต่อการสั่นสะเทือนของฮีทซิงค์ แต่จะค่อยๆผ่านการสั่นสะเทือนและการงอแบบเดิม

ดังนั้นฮีทซิงค์ผลึกอาจจะกลายเป็นรายการซ่อมแซมเป็นครั้งคราวในสนาม ... สมมติว่าปิดการระบายความร้อนและการแจ้งเตือนสมาร์ท ตอนนี้คิดว่าต้องใช้เครื่องมือพิเศษอะไรในฟิลด์นี้และอาจใช้อัตราการแตกหักแบบใดเมื่อเทคโนโลยีโดยเฉลี่ยของคุณพยายามจัดการกับการเปลี่ยน ฉันพนันได้เลยว่าฮีทซิงค์จะเป็นสิ่งที่หลาย ๆ คณะรัฐบาลและลูกค้าเอกชนคาดหวังว่าเทคโนโลยีในท้องถิ่นจะสามารถจัดการได้แม้ว่าจะไม่ใช่วงจร แค่ประแจงานใช่มั้ย