بالعربي

المشتت الحراري (Heat sink)

المشتت الحراري هو عبارة عن مبادل للحرارة سلبي(أو استهلاكي) يعمل على نقل الحرارة المتولدة من جهاز الكتروني أو ميكانيكي إلى السائل المبرد بالحركة .ثم الحرارة المنتقلة تترك الجهاز بالسائل مع الحركة.مما يسمح لتنظيم حرارة الجهاز إلى درجات فيزيائية مقبولة .في أجهزة الحاسوب ,مشتت الحرارة يستخدم لتبريد وحدة المعالجة المركزية أو المعالجات الرسومية (أو التشكيلية).مشتت الحرارة يستخدم مع أشباه الموصلات التي تستخدم للطاقة العالية مثل الترانزستورات عالية الطاقة والإلكترونيات الضوئية مثل الليزر و الثنائيات الباعثة للضوء. حيث قدرة تبديد الحرارة من الجهاز الأساسي غير كافية لتلطيف درجة الحرارة.

مشتت الحرارة يصمم بحيث تكون المساحة السطحية بينه و بين الوسط المبرد اكبر ما يمكن ,مثل الهواء.سرعة الهواء,اختيار المادة,تصميم النتوءات و معالجة السطح هي عوامل تحدد أداء مشتت الحرارة.طريقة إرفاق مشتت الحرارة و مواد المواجهة الحرارية أيضا تؤثر على درجة حرارة لدوائر النرد المتكاملة . ألاصقة الحرارية أو الشحوم الحرارية تحسن أداء مشتت الحرارة عن طريق ملأ  فراغات الهواء بين المشتت الحراري و الناشر الحراري على الجهاز.

مروحة مبردة مع مشتت حراري لتبريد المعالج لجهاز حاسوب شخصي،إلى اليمين مشتت حراري صغير خاص لتبريد دائرة متكاملة على اللوحة الأم

 

 

عوامل التصميم:

المقاومة الحرارية:

لأجهزة أشباه الموصلات المستخدمة في مجموعة متنوعة من المنتجات الالكترونية الاستهلاكية و الصناعية ، وفكرة المقاومة الحرارية تبسط اختيار المصارف الحرارة. تدفق الحرارة بين دائرة النرد و أشباه الموصلات والهواء المحيط على تمثل على شكل سلسلة من المقاومات المشبوكين على التوالي. هناك مقاومة من دائرة النرد إلى حافظة الجهاز، من الحافظة إلى المشتت الحراري، ومن المشتت الحراري إلى الهواء المحيط. مجموع هذه المقاومات هو مجموع المقاومة الحرارية من دائرة النرد إلى الهواء المحيط. يتم تعريف المقاومة الحرارية مع ارتفاع في درجة الحرارة لكل وحدة من الطاقة، مماثلة للمقاومة الكهربائية، وتمثل في وحدة درجة مئوية لكل واط  (° C / W)  .إذا كان استهلاك الجهاز  بالواط  معروفا، يتم احتساب مجموع المقاومات الحرارية، درجة حرارة دائرة النرد إلى الهواء المحيط يمكن حسابها.

فكرة المقاومة الحرارية للمشتت الحراري المكون من أشباه الموصلات هي تقريبية. لأنها لا تأخذ في الاعتبار التوزيع الحرارة الغير منتظم على الجهاز أو المشتت الحراري. إنها تطبق نماذج ذات حالة متوازنة حرارية، ولا تأخذ في الاعتبار التغير في درجات الحرارة مع مرور الوقت. كما أنها لا تعكس السلوك اللاخطية في الإشعاع الحراري الناتج عن ارتفاع درجة الحرارة. على كل حال، المصنعين وضعوا جدول للقيم النموذجية للمقاومة الحرارية للمشتتات الحرارية وأجهزة أشباه الموصلات، والتي تتيح و تسهل اختيار المشتت الحراري المصنع تجاريا .<3>

المشتتات الحرارية المصنوعة من الألمونيوم لديها المقاومة الحرارية (المشتت الحراري إلى الهواء المحيط) تتراوح بين0.4 ° C / W للمشتت الكبير المخصص لأجهزة TO3، حتى تصل إلى 85  C / W في مشتتات الحرارة من نوع الأشرطة المخصصة لحالة الأغلفة البلاستيكية الصغيرة الخاصة في T902 .<3> نوعية ترانزستور الذي يستحمل الطاقة العالية المشهورة 2N3055  لحالة TO3  لديه مقاومة داخلية حرارية من نقطة الاتصال الخاصة بأشباه الموصلات إلى الغلاف تصل إلى 1.52  ° C / W  .الاتصال بين غلاف الجهاز والمشتت الحراري قد يكون له مقاومة حرارية تتراوح بين 0.5 إلى 1.7 ° C / W، اعتمادا على حجم الغلاف، واستخدام الشحوم أو العازل المنظف .<3>

المادة:

المواد الأكثر شيوعا للمشتتات الحرارية هي خلائط الألمونيوم. <5>خلائط الألمونيوم 1050A  لديها واحد من أعلى قيم الموصلية الحرارية تصل إلى 229 واط / م*كلفن  ولكن تعد لينة ميكانيكيا. <6>خلائط الألمونيوم 6061 و6063  ذات الاستخدام الشائع، ذات قيم موصلية حرارية  166 أو 201 واط/م*كلفن على التوالي. قيم تعتمد على مزج الخليط.

النحاس لديه خصائص ممتازة بالنسبة للمشتت الحراري من حيث التوصيل الحراري، ومقاومة التآكل، ومقاومة القاذورات الحيوية، ومقاومة مضادات الميكروبات. النحاس له حول ضعف الموصلية الحرارية للألمنيوم وأسرع وأكثر كفاءة بامتصاص الحرارة. تطبيقاتها الرئيسية هي في المنشآت الصناعية ومحطات توليد الكهرباء وشبكات المياه الحرارية الشمسية، وأنظمة التكييف، سخانات المياه والغاز والتدفئة بالهواء المضغوط وأنظمة التبريد والتدفئة الحرارية والتبريد، والأنظمة الإلكترونية.

النحاس يعد ثلاث أضعاف كثافة الألمنيوم <5>وأغلى من الألمنيوم<5>. يتم تشكيل المشتتات الحرارية النحاسية و جعلها مناسبة للآلات .طريقة أخرى لصنعها هي لحام الزعانف(القطع المسطحة) في قاعدة المشتت الحراري. يمكن مد المشتتات الحرارية المصنوعة من الألمونيوم، ولكن النحاس( الأقل مرونة) لا يمكنه ذلك.<7><8>

الماس هو مادة أخرى يصنع منها المشتت الحراري، والموصلية الحرارية لها يصل 2000 واط/م*كلفن و يتجاوز النحاس بخمسة أضعاف<9>. وعلى النقيض من المعادن، حيث تصل الحرارة عن طريق الإلكترونات الغير متموضعة، اهتزازات الجزيئات هي المسئولة عن الموصلية الحرارية العالية جدا للماس. لتطبيقات التحكم الحراري، الموصلية الحرارية المتميز والانتشارية في الماس يعد متطلب ضروري. في الوقت الحاضر يستخدم الماس الصناعي كجزء مرفق بشكل بسيط في الدوائر المتكاملة والثنائيات الليزر ذات الطاقة العالية.

ويمكن استخدام المواد المركبة. ومن الأمثلة على ذلك مخاليط النحاس والتنغستن المستعارة، AlSiC  (كربيد السيلكون في مصفوفة الألمونيوم)، Dymalloy  (الماس في مصفوفة مخاليط النحاس والفضة) و مواد النوع E )أكسيد البريليوم في مصفوفة البريليوم). وغالبا ما تستخدم هذه المواد بمثابة ركائز للرقائق الإلكترونية، لأن معامل التمدد الحراري لها يمكن أن يتشابه مع السيراميك وأشباه الموصلات.

 

فاعلية الزعانف(القطع المسطحة):

كفاءة الزعانف هي واحدة من العوامل التي تجعل المواد ذات الموصلية الحرارية الكبيرة مهمة. يمكن اعتبار الزعنفة في المشتت الحرارة  لوح مسطح مع تدفق الحرارة في إحدى نهاياتها ويتم تشتيته في السائل المحيط بها عندما ينتقل إلى النهاية الأخرى. <10>عند تدفق الحرارة من خلال الزعنفة، فإن مجموع المقاومة الحرارية للمشتت الحراري الذي تعوق التدفق و فقد الحرارة بسبب الحمل الحراري، ودرجة الحرارة للزعنفة، وبالتالي انتقال الحرارة إلى السائل، ستنخفض من القاعدة إلى نهاية الزعنفة. يتم تعريف كفاءة الزعانف بالحرارة الفعلية التي تم نقلها بواسطة الزعنفة، مقسوما على النقل الحراري حيث تكون الزعنفة متساوية و متعادلة حرارية (نظريا على الزعانف أن تكون ذات موصلية حرارية لانهائية )المعادلات 6 و 7 قابلة للتطبيق على الزعانف المستقيمة.

[11] (6)

[11] (7)

  • حيث hfهو معامل انتقال الحرارة الخاص بالزعنفة:
  • الهواء:10 إلى 100 واط/(م2*كلفن)
  • الماء:500 إلى 10000 واط/(م2*كلفن)

 

  • K هي الموصلية الحرارية لمادة الزعنفة:
  • الألمونيوم :120 إلى 240 واط/م*كلفن

 

  • Lf هو ارتفاع الزعنفة بالمتر
  • tf هو سمك الزعنفة بالمتر

 

يتم زيادة كفاءة زعنفة من خلال خفض نسبة الشكل للزعانف (مما يجعلها أكثر سمكا أو أقصر)، أو عن طريق استخدام المزيد من المواد الموصلة (النحاس بدلا من الألمونيوم، على سبيل المثال).

 

مقاومة الانتشار :

معامل آخر يهم الموصلية الحرارية لمادة المشتت الحراري هي مقاومة الإنتشار . مقاومة الانتشار تحدث عندما يتم نقل الطاقة الحرارية من منطقة صغيرة لمساحة أكبر في مادة ذات موصلية حرارية محدودة. في المشتت الحراري، يعني ذلك أن الحرارة لا تتوزع بشكل متساوي عبر قاعدة المشتت الحراري. تظهر ظاهرة مقاومة الانتشار عندما تنتقل الحرارة من مكان مصدر الحرارة وتؤدي إلى تدرج في درجة الحرارة بشكل كبيرة بين مصدر الحرارة وحواف المشتت الحراري. وهذا يعني أن بعض الزعانف ستكون ذات درجة حرارة منخفضة إذا لم يكن مصدر الحرارة موزع بشكل متساوي عبر قاعدة المشتت الحراري. هذا التوزيع الغير منتظم يزيد من المقاومة الحرارية الفعالة للمشتت الحراري .

 

لخفض مقاومة الانتشار عند قاعدة المشتت الحراري:

  • زيادة سمك القاعدة
  • اختيار مادة أخرى ذات موصلية حرارية أفضل
  • استخدامأنبوب حراريفيقاعدةالمشتت الحرارة

 

المثالية(شكل و موقع الزعانف…الخ):

يجب أن تصنع الزعانف بالشكل الأمثل لزيادة كثافة نقل الحرارة والتقليل من انخفاض الضغط في السائل المبرد عبر المشتت الحراري حيث المساحة والمواد المستخدمة في أسطح الزعانف مقيدة. <12><13><14><15><16>وتوجد العديد من الأشكال تتراوح من الاسطوانات بيضاوي الشكل والاسطوانية والأشكال المخروطية إلى الأشكال الأكثر حدة مثل المعين والأقسام مربع.

 

ترتيب الزعانف:

المشتت الحراري ذو زعنفة الدبوس يعد مشتت حراري لديه دبابيس تمتد و تخرج من قاعدته. يمكن للدبابيس أن تكون ذات شكل أسطواني، بيضاوي الشكل أو مربع. هذه النوعية إلى حد بعيد واحدة من أنواع المشتتات الحرارية الأكثر شيوعا المتاحة في السوق. وهناك نوع ثان من المشتتات الحرارية لترتيب الزعانف هو الزعنفة المستقيمة . هذه النوعية تستفيد من كامل طول المشتت الحراري.الزعانف المستقيمة تكون متباعدة عن بعضها البعض بمسافات متساوية.

بشكل عام، كلما زادت مساحة السطح للمشتت الحراري، كان ذلك أفضل له عند أدائه لعمله. <2>ومع ذلك، هذا ليس صحيحا دائما. فكرة المشتت الحراري ذو زعانف الدبابيس هي محاولة لجمع أكبر قدر ممكن من المساحة السطحية لحجم المعين .<2> كذلك، فإنه يعمل بشكل جيد في أي اتجاه أو جهة. قارن كوردبان<2> أداء المشتت الحراري ذو زعنفة الدبوس و الزعنفة المستقيمة مع تماثل أبعادهم. على الرغم من أن زعنفة دبوس لديها مساحة سطحية تقدر في 194 سم2  في حين الزعنفة المستقيمة لديها 58 سم2، والفرق في درجة الحرارة بين قاعدة المشتت الحراري والهواء المحيط لزعنفة دبوس هو 50 سيليسيوس. بالنسبة للزعنفة المستقيمة كان 44 سيلسيوس أو 6  درجات مئوية أفضل من زعنفة الدبوس. أداء المشتت الحراري ذو زعنفة الدبوس يعد أفضل بكثير من الزعانف المستقيمة على عند استخدامها في التطبيقات المقصودة منها حيث تتدفق السوائل محوريا على طول الدبابيس بدلا من ملامسته فقط عبر الدبابيس.

مقارنة بين المشتت الحراري ذو زعنفة الدبوس و الزعانف المستقيمة
نوع الزعنفة العرض (سم) الطول (سم) الارتفاع (سم) مساحة السطح (سم2) الحجم (سم3) فرق درجات الحرارة،

 حرارة الغلاف – حرارة الهواء(سيليسيوس)

المستقيمة 2.5 2.5 3.2 58 20 44
الدبوس 3.8 3.8 1.7 194 24 51

 

 

نوع آخر هو المشتت الحراري ذو الزعانف المائلة أو المنحرفة.  وهي زعانف ليست موازية لبعضها البعض، كما هو مبين في الشكل 5 .تشكيل الزعانف بشكل مائل يقلل مقاومة التدفق ويجعل المزيد من الهواء يمر عبر زعنفة المشتت الحراري؛ خلاف ذلك، فإن المزيد من الهواء قد يتجاوز الزعانف. جعلهم بشكل مائل يحافظ على الأبعاد الكلية نفسها، لكنه يقدم زعانف أطول.  فورجين<17> وآخرون قاموا بنشر بيانات عن اختبارات أجريت على زعنفة دبوس، الزعنفة المستقيمة، و الزعانف المائلة. ووجد الباحثون أن لسرعة الهواء المنخفضة الواردة، عادة حوالي 1 م / ث، فإن الأداء الحراري يكون 20٪ على الأقل أفضل من الزعانف المستقيمة في المشتتات الحرارية. وجد ايجإنك و لاسنس <18> أيضا أن للتكوينات التجاوزية التي تم اختبارها،المشتت الحراري ذو الزعانف المائلة له أداء أفضل من المشتتات الحرارية الأخرى التي تم اختبارها.

 

الشكل 5:مشتتات حرارية ذات زعانف دبابيس أو مستقيمة أو مائلة

 

المواد ذات الموصلية المرتفعة:

في السنوات الأخيرة، تم اقتراح استخدام مواد عالية التوصيل (إدراج) لتبريد الإلكترونيات وتعزيز إزالة الحرارة من رقائق صغيرة إلى المشتت الحراري. لأن المساحة المفروضة للمواد ذات الموصلية العالية المحتلة بالإضافة إلى التكلفة هم عنصرين قلق كبير. لذلك، الوصول لتصاميم أكثر كفاءة لمسارات الموصلية عالية، المضمنة في جسم يولد الحرارة يشكل تحديا هائلا.<19><20><21><22>

 

التجاويف(معكوس الزعانف):

تجاويف (مقلوب الزعانف) يضمن في مصدر الحرارة، هي المناطق التي تشكلت بين زعانف المجاورة و التي تعد المسبب للغليان أو التكثيف المتنوي. وعادة ما تستخدم هذه التجاويف لاستخراج الحرارة من مجموعة متنوعة من الأجسام المولدة للحرارة إلى المشتت الحراري.<23><24><25><26>

 

اللوحة السميكة الموصلة بين مصدر الحرارة والمشتت الحراري:

وضع لوحة سميكة كواجهة نقل حرارية بين مصدر الحرارة والسائل المتدفق الباردة (أو أي مشتت حراري آخر) قد يحسن أداء التبريد. في مثل هذا الترتيب، يتم تبريد مصدر الحرارة تحت اللوحة سميكة بدلا من تبريدها في اتصال مباشر مع سائل التبريد. وتبين أن اللوحة السميكة يمكن أن تحسن بشكل كبير من انتقال الحرارة بين مصدر الحرارة و سائل التبريد عن طريق نقل الحرارة الحالية على النحو الأمثل. <15><16>المزايا أكثر جاذبية من هذا الأسلوب هما عدم الحاجة لأي طاقة ضخ إضافية أو أي مساحة سطحية خارجية لانتقال الحرارة، وهذا يختلف تماما عن زعانف (الأسطح الممتدة).

 

لون السطح:

نقل الحرارة من المشتت الحراري يحدث عن طريق الحمل الحراري من الهواء المحيط، التوصيل عن طريق الهواء، والإشعاع.

نقل الحرارة عن طريق الإشعاع تعتمد على كل من درجة حرارة المشتت الحرارة، ودرجة حرارة البيئة المحيطة للمشتت الحراري والمقترنة به بصريا. عندما الحرارة تتراوح بين 0 درجة مئوية إلى 100 ، فإن مساهمة الإشعاع مقارنة بالحمل الحراري تعد صغيرة عموما، وغالبا ما يهمل هذا العامل. في هذه الحالة، لن تتأثر المشتتات الحرارية المزودة بالزعانف التي تعمل في أي من الحمل الحراري الطبيعي أو التدفق بالقوة بأي انبعاث سطحي.

في الحالات التي يكون فيها الحمل منخفضة، مثل اللوحات المسطحة التي لا تحتوي على زعانف والتي يكون فيها تدفق الهواء منخفضا، وحينها يكون التبريد الإشعاعي عاملا هاما. هنا تعد خصائص السطح عاملا هاما للتصميم. والأسطح السوداء الغير لامعة تشع بكفاءة أكبر بكثير من المعدن اللامع. <27>سطح المعدن اللامع لديه انبعاثية منخفضة. الانبعاثية من المادة تعتمد بشكل كبير على التردد، ويرتبط بالامتصاصية ( أسطح معدنية ألامعة لها امتصاصية قليلة جدا). بالنسبة لمعظم المواد، الإنبعاثية في الطيف المرئي هي مماثلة للانبعاثية في طيف الأشعة تحت الحمراء. ولكن هناك استثناءات، ولا سيما بعض أكاسيد المعادن التي تستخدم “السطوح الانتقائية”.

في فراغ أو في الفضاء الخارجي، ليس هناك نقل الحرارة بالحمل الحراري، وبالتالي في هذه البيئات، الإشعاع هو العامل الوحيد الذي يحكم تدفق الحرارة بين المشتت الحراري والبيئة. لساتلايت في الفضاء، فإن سطح ذو حرارة 100 سيلسيوس (373 كلفن) يواجه الشمس يمتص الكثير من الحرارة الإشعاعية، لأن درجة حرارة سطح الشمس تقارب 6000  كلفن، في حين أن نفس السطح إذا واجه الفضاء السحيق سوف يشع الكثير من الحرارة لأن الفضاء السحيق لديه درجة حرارة فعالة لا تتعدى بضعة قليلة من كلفن.

وحدة تخزين سريعة خاصة لخادم شبكة مع مشتت حراري ذو لون أسود

 

 

التطبيقات الهندسية :

تبريد المعالج الدقيق

التبديد الحراري هي ظاهرة لا مفر منها في الأجهزة الالكترونية و الدوائر الكهربائية .بشكل عام,درجة حرارة الجهاز أو الجزء سوف يعتمد على المقاومة الحرارية بين الجزء و الوسط المحيط بها ,و الحرارة المتبددة من الجزء.لضمان عدم وصول درجة الحرارة للجزء إلى درجة حرارة فوق المسموح بها,مهندس الحرارة يسعى إلى الحصول على طريق لنقل الحرارة إلى الوسط المحيط.طريق نقل الحرارة يمكن أن يكون من القطعة الالكترونية إلى ألوح الالكتروني المطبوع, إلى مشتت الحرارة,الو مجرى الهواء المزود من المروحة,و لكن في جميع الحالات إلى الوسط المحيط.

هنالك عاملين تصميم أيضا يؤثران في أداء النظام الحراري/الميكانيكي للنظام:
1-الطريقة التي تم تركيب المشتت الحراري على مكون أو المعالج.سوف يتم مناقشة هذه الظاهرة في قسم طرق الرفق في الأسفل
2-لكل نقطة مواجهة بين قطتين متصلتان مع بعضهم البعض,سيكون هنالك انخفاض في درجة الحرارة عند نقطة المواجهة, لهذه الأنظمة المركبة، وانخفاض درجة الحرارة عبر الواجهة قد يكون ملموس. ويمكن أن يعزى هذا التغير في درجة الحرارة إلى ما يعرف باسم مقاومة الاتصال الحرارية.مواد المواجهة الحرارية,تقلل من مقاومة الاتصال الحرارية.

نظام تبريد لكرت شاشة من نوع Asus GTX-650  ،يمكن رأيت ثلاث أنابيب حرارية

طرق التركيب:

لان مقدار استهلاك القدرة يزداد و حجم المكونات يصغر,مهندس الحرارة عليه الابتكار لكي لا تصل درجة حرارة المكون إلى أعلى من ما هو مسموح به.المكونات التي تعمل على درجة حرارة منخفضة يدوم لفترات أطول.المشتت الحراري يجب أن يحقق الشروط الحرارية و الشروط الميكانيكية.في ما يخص آخر موضوع,المكونات يجب أن تبقى على نقطة اتصال حراري مع المشتت الحراري مع تواجد صدمة و اهتزاز منطقي .المشتت الحراري يمكن أن يكون الرقائق الحرارية للوحة الدوائر المطبوعة ,أو ممكن أن تكون مشتت حراري يركب إلى المكون أو لوحة الدائرة المطبوعة. وتشمل وسائل الرفق شريط موصل حراريا أو الايبوكسي, مقاطع مسطحة، الفواصل المواجهة، و الدبابيس الدافعة مع نهاياتها التي تتوسع بعد التثبيت.

الشريط الموصل حراريا:
الشريط الموصل حراريا هو احد أكثر الطرق فعالية كمشتت حراري ممكن اضافته, انها للمشتات الحرارية ذات الكتل المنخفضة والمكونات التي تسهلك قدرة قليلة, وهو يتألف من مادة موصلة ناقلة للحرارة مع مادة لاصقة حساسة للضغط على كل جانب.
يتم تطبيق هذا الشريط إلى قاعدة مشتت الحرارة, والتي يتم بعد ذلك رفقها على العنصر. فيما يلي العوامل التي تؤثر على أداء الشريط الحراري:
1-يجب أن تكون أسطح كل من المكون والمشتت الحراري نظيفة، مع عدم وجود بقايا مثل الشحوم و السيلكون
2-الضغط المسبق ضروري لضمان اتصال جيد,الضغط غير الفعال ينتج مناطق عدم الاتصال مع الهواء المحبوس,و ينتج نتائج اعلي من المتوقعة في ما يخص المقاومة الحرارية عند نقطة الاتصال.
3-الأشرطة السميكة تميل إلى تزويد تبليل أفضل مع المكونات ذات الأسطح غير المتناسقة,البلل هو نسبة المساحة الموصولة بين الشريط و المكون,الأشرطة السميكة,عادة,تملك مقاومة حرارية أعلى من الأشرطة الرقيقة, من وجهة نظر تصميم، فمن الأفضل اختيار سمك للشريط بحيث يحقق أعلى نسبة بلل مع اقل مقاومة حرارية.

لفائف من الشريط الموصل حراريا

الايبوكسي:
الايبوكسي أثمن من الأشرطة, ولكنها توفر سند ميكانيكي أكبر بين المشتت الحراري والمكون, فضلا عن تحسين التوصيل الحراري.اختيار الايبوكسي يجب أن يتم على هذا الأساس. معظم إيبوكسى هي جزئيين من المستحضرات السائلة التي يجب أن تمتزج جيدا قبل تطبيقها على امتصاص الحرارة, وقبل أن يتم وضع المشتت الحراري على المكون,ثم يتم علاج الايبوكسي لفترة زمنية معينة,والتي يمكن ان تتراوح بين ساعتين إلى 48 ساعة. ويمكن تحقيق أسرع زمن علاج عند ارتفاع درجات الحرارة. يجب أن تكون الأسطح التي يتم تطبيقها الايبوكسي نظيفة وخالية من أي مخلفات.

الربط بين اليبوكسي و المشتت الحراري دائمة أو شبه دائمة, وهذا يجعل إعادة عملها صعبة للغاية وأحيانا مستحيلة, الضرر الأكثر شيوعا التي تسببها إعادة صياغة هو فصل مكون ناشر للحرارة من عبوته.
الأسلاك على شكل مقاطع حرف Z:

أكثر تكلفة من الشريط والايبوكسي، والأسلاك شكل Z ترفق مع المشتتات الحرارية ميكانيكيا. استخدام مقاطع Z، يتطلب أن يكون هنالك أماكن تثبيت على لوحة الدوائر المطبوعة . أماكن التثبيت يمكن أن تكون ملحومة أو مثقوبة خلال اللوح. أي النوعين يتطلب الثقوب لكي تصمم على اللوح. يجب أن يسمح لاستخدام نفايات اللحام لأنها أضعف ميكانيكيا من اللحام التقليدي لحام الرصاص / القصدير.

لإرفاق مقاطع-z،يجب إرفاق جانب واحد منه إلى إحدى أماكن التثبيت. يتم حرف الزنبرك حتى يمكن وضع المقطع من الجانب الآخر في مكان التثبيت الآخر. الانحراف يولد حمولة زنبركيه على العنصر وبالتالي يحافظ على اتصال جيد جدا. بالإضافة إلى الإرفاق الميكانيكي الذي يوفره مقطع-z، فإنه يسمح باستخدام مواد مواجهة حرارية ذات أداء عالي، مثل نوع مبدل الأطوار.<28>

مشتت حراري ذو زعنفة دبوس مع سلك على شكل مقطع Z

قصاصات الرفق:
متاح للمعالجات و شبكات الكرات المصفوفة,القصاصات تتيح رفق شبكات الكرات المصفوفة مباشرة إلى المشتت الحراري.القصاصات تتيح استخدام الفراغات المتكونة أسفل شبكة الكرات المصفوفة بين المكونات و بين سطح لوحة الدائرة المطبوعة.و بالتالي القصاصات لا تحتاج إلى حفر داخل لوحة الدوائر المطبوعة . أنها تسمح أيضا لإعادة صياغة سهلة من مكونات. الأنواع الأكثر تداولا تجاريا هي superGRIPTM  و maxiGRIPTM وتعد هذه الأنواع من الحلول الحرارية المتقدمة ATS بينما نوعية Talon Clip TM من تصاميم  malico .الطرق الثلاثة المذكورة تستخدم إطارات بلاستيكية للمقاطع,و لكن الأنواع اللي تستخدم الحلول الحرارية المتقدمة يستخدم قصاصات زنبركيه معدنية لتوفير قوة ضغط. تستخدم الاذرعة البلاستيكية لتوفير الحمل الميكانيكي في تصاميم malico.اعتمادا على متطلبات المنتج،فإن على القصاصات موافقة المعايير العالمية للصدمات و الاهتزازات ، مثل Telecordia GR-63-CORE, ETSI 300 019 و MIL-STD-810.

طريقتين لتثبيت المشتتات الحرارية تسمى maxiGRIP (على اليسار) و Talon clip.

 

الدبابيس الدافعة مع الزنبركات الضاغطة:
تستخدم للمشتتات الحرارية الكبيرة مع الحمال العالية,و تعتبر فعالة جدا . دبابيس الدفع،عادة مصنوعة من النحاس أو البلاستيك, ولها شوكة مرنة في النهاية مع وجود ثقب في لوحة الدائرة المطبوعة,الشوكة تقوم بحمل الدبوس, يعمل زنبرك الضغط على التجميع معا ويحافظ على الاتصال بين المشتت الحراري والمكون, هناك حاجة إلى حسن اختيار حجم الدبوس الدافع,قوة الدفع ممكن ان تكون كبيرة مما يؤدي إلى كسر المكون أو فشله.

الدبابيس الدافعة

الفواصل مع الزنبركات الضاغطة:

للمشتتات الحرارية الكبيرة جدا، ليس هناك بديل عن الفواصل مع الزنبركات الضاغطة.الفواصل هي في جوهرها أنبوب معدني مجوف مع التفافات داخلية . يتم تأمين نهاية واحدة مع المسمار من خلال ثقب في لوح الدائرة المطبوعة. على الطرف الآخر تقبل المسمار الذي يضغط الزنبرك,مكملا المجموعة.المشتت الحراري بالعادة يستخدم من اثنين إلى ثلاث فواصل ,مما يجعله أكثر نوعية مكلفة من المشتتات الحرارية .هنالك سلبية أخرى هي الحاجة إلى ثقوب داخل لوح الدائرة المطبوعة.

 

 

 

ملخص لرفق المشتتات الحرارية

[28].

الطريقة الايجابيات السلبيات الثمن
الشريط الموصل حراريا سهل الرفق

رخيص الثمن

لا يوفر التصاقات ميكانيكية جيدة للمشتتات الحرارية الكبيرة أو للبيئات كثيرة الاهتزازات

يجب تنظيف السطح للالتصاق المثالي

فعال فقط في البيئات ذات التوصيل الحراري المنخفض

قليل جدا
الايبوكسي التصاقات الميكانيكية قوية

. غير مكلفة نسبيا

يجعل إعادة صياغة اللوح صعبة لأنه ممكن ان يضرر المكونات

اللوح يجب ان ينظف ليتحقق الالتصاق المثالي

قليل جدا
الأسلاك على شكل مقاطع حرف Z إرفاق ميكانيكي قوي.سهل التبديل و إعادة الاستخدام. يوفر حمل على واجهة الاتصال الحرارية مما يؤدي إلى تحسين الأداء. يتطلب ثقوب للتثبيت. أغلى من الأشرطة و الإيبوكسي. يتطلب تصميم خاص. قليلة
القصاصات لا يتطلب أي ثقوب

تحسين الأداء الحراري

سهل الإزالة و إعادة الصياغة

يتطلب مساحة إضافية على شبكات الكرات المصفوفة

خطوات تجميع إضافية

قليل
الدبابيس الدافعة مع الزنبركات الضاغطة التصاقات ميكانيكية قوية,سهل الفك و التركيب يتطلب ثقوب في اللوح مما يزيد تعقيد تتبع الخطوط عليه متوسط
الفواصل مع الزنبركات الضاغطة أقوى مرفق الميكانيكية

مثالي للمشتتات الحرارية الكبيرة

يتطلب ثقوب في اللوح مما يزيد تعقيد تتبع الخطوط عليه,تجميعه معقد مرتفع

 

مواد المواجهة الحرارية:

تحدث مقاومة الاتصال الحرارية بسبب الفراغات التي أنشأتها آثار خشونة السطح والعيوب واختلالها عن الواجهة. تمتلئ الفراغات الموجودة في الواجهة من الهواء. لنقل الحرارة يكون حينها بسبب التوصيل عبر منطقة الاتصال الفعلي والتوصيل (أو الحمل الحراري الطبيعي)والإشعاع عبر الفراغات.<11> إذا كانت منطقة التماس صغيرة، كما هو الحال بالنسبة للسطوح الخشنة،فإنه مساهمة كبيرة في المقاومة تكون من وجود الفراغات.<11> لتقليل مقاومة الاتصال الحرارية، يمكن خفض خشونة السطح في حين زيادة الضغط على الواجهة . ومع ذلك، هذه الأساليب للتحسين ليست دائما عملية أو الممكنة للمعدات الالكترونية. مواد المواجهة الحرارية هي وسيلة مشتركة للتغلب على هذه القيود.

تطبيق مواد المواجهة الحرارية بشكل صحيح يحل محل الهواء الذي هو حاضر في الفجوات بين الشيئين بالمواد التي لديها موصلية حرارية أعلى بكثير. يحتوي الهواء على توصيل الحراري يقدر ب 0.022 واط/متر*كلفن حين يتم إضافة مواد لها توصيل حراري يقدر ب 0.3 واط/متر*كلفن أو أعلى.

عند اختيار مواد المواجهة الحرارية، يجب توخي الحذر مع القيم الموردة من قبل الشركة المصنعة. معظم الشركات المصنعة تعطي قيمة التوصيل الحراري للمادة. ومع ذلك، فإن التوصيل الحراري لا يأخذ بعين الاعتبار لحساب مقاومة الواجهة. لذلك، إذا كانت مواد المواجهة الحرارية لديها موصلية حرارية العالية، هذا لا يعني بالضرورة أن مقاومة الواجهة ستكون منخفضة.

أجزاء الموصلية الحرارية و مقاومة المواجهة لمقاومة المواجهة لمادة مواجهة حرارية

ويستند اختيار مواد الواجهة الحرارية إلى ثلاثة أمور: فجوة الواجهة التي يجب أن تملأها المواد الحرارية، الضغط الناتج عن الاتصال، والمقاومة الكهربائية لمواد المواجهة الحرارية. الضغط الناتج عن الاتصال هي الضغوط التي تتولد على الواجهة بين اثنين من المواد. عملية الاختيار يجب أن لا تأخذ تكلفة المواد بعين الاعتبار. قد تكون المقاومة الكهربائية مهمة أو لا تبعا لتفاصيل التصميم الكهربائي.

الاختيار على أساس فجوة الواجهة.<30>

سعة فجوة الواجهة المنتجات المتاحة
< 0.05 ميليمتر < 2 ميلي أنش الشحم الحراري، الايبوكسي ومواد تبديل الأطوار
0.05 – 0.1 ميليمتر 2 – 5 ميلي أنش ومواد تبديل الأطوار،بوليميد، الجرافيت أو أشرطة الألمنيوم
0.1 – 0,5 ميليمتر 5 – 18 ميلي أنش أقمشة السيلكون المغلقة
> 0.5 ميليمتر > 18 ميلي أنش مالئ الفراغات

 

الاختيار على أساس الضغط الناتج عن الاتصال
[30]
مقياس الضغط الناتج عن الاتصال نطاق الضغط المنتجات المتاحة
قليل جدا < 70 كيلو باسكال مالئ الفراغات
قليل < 140 كيلو باسكال الشحم الحراري، الايبوكسي، بوليميد، الجرافيت أو أشرطة الألمنيوم
مرتفع 2 ميغا باسكال أقمشة السيلكون المغلقة

 

الاختيار على أساس قوة العزل الكهربائية

[30]

العزل الكهربائي قوة العزل الكهربائية القيم المنتجات المتاحة
غير ضروري غير موجود غير موجود غير موجود الشحم الحراري، الايبوكسي, ومواد تبديل الأطوار ، الجرافيت أو أشرطة الألمنيوم.
ضروري قليل 10 كيلو فولت/ميلليميتر < 300   فولت/ميلي أنش أقمشة السيلكون المغلقة, مالئ الفراغات
ضروري كبير 60 كيلو فولت/ميلليميتر > 1500  فولت/ميللي أنش أشرطة بوليميد

 

ملاحظات تطبيقات مواد المواجهة الحرارية بناء على نوع المنتج
نوع المنتج ملاحظات التطبيقات الأداء الحراري
معجون حراري فوضوي. يحتاج جهد كبير. الوقت التجمع طويلة نسبيا. ++++
الايبوكسي يصنع روابط دائمة مع الواجهة ++++
ومواد تبديل الأطوار يسمح لمرحلة ما قبل الإرفاق، يلين ويتفق مع عيوب الواجهة عند درجات الحرارة التشغيلية. يمكن تعديل أوضاعها في الميدان. ++++
الأشرطة الحرارية مثل الجرافيت و البوليميد و أشرطة الألمنيوم من السهل أن يطبق بعض القوة الميكانيكية. +++
أقمشة السيلكون المغلقة توفير توسيد وختم و إغلاق في حين لا يزال يسمح نقل الحرارة. +
مالئ الفراغات يمكن استخدامها لربط مكونات مختلفة الارتفاع حراريا إلى مشتت الحرارة. مبتذل بشكل طبيعي. ++

 


لمبات الثنائيات الباعثة للضوء:

أداء و عمر لمبات الثنائيات الباعثة للضوء تعتمد بشكل أساسي على درجة حرارتها.لذلك التبريد الفعال يعتبر أساسيا.مقالات خاصة أثبتت انه يجب معرفة و حساب المشتتات الحرارية اللازمة لتوفير التبريد الفعال, ويوضح المقال أيضا أنه من أجل الحصول على الثقة في النتائج، يلزم إيجاد حلول مستقلة متعددة تعطي نفس النتائج. على وجه التحديد، ينبغي أن تكون نتائج التجارب الرقمية والنظرية كلها في حدود 10٪ من بعضها البعض لإعطاء ثقة عالية في النتائج.

لمبات الثنائيات الباعثة للضوء تستحمل طاقة عالية من صنع شركة فيليبس لتصنيع لمبات الثنائيات الباعثة للضوء مرفقة على مجسم(لوحة دوائر مطبوعة) 21 ميلليميتر مصنوع من الألمونيوم 

اللحام:

المشتتات الحرارية تستخدم أحيانا أثناء لحام لوح الدائرة المطبوع, مما يمنع الحرارة المفرطة من إتلاف الأجهزة الإلكترونية الحساسة القريبة. أجهزة أشباه الموصلات الحديثة، والتي تم تصميمها ليتم تجميعها من قبل ألحام، عادة تتحمل درجات الحرارة ألحام دون أضرار. من ناحية أخرى، يمكن أن المكونات الكهربائية مثل مفاتيح الريشة المغناطيسية ان تتعطل في حال تعرضها للحام الحديد الساخن,لذلك ما زالت هذه الممارسة دارجة .

 

 

  1. “Power Supply Glossary”. Aegis Power Systems, Inc. Aegis Power Systems, Inc. Retrieved 15 September 2014.
  2. Kordyban, T., 1998, Hot air rises and heat sinks – Everything you know about cooling electronics is wrong, ASME Press, NY.
  3. Nello Sevastopoulos et al., National Semiconductor Voltage Regulator Handbook,National Semiconductor Corp., 1975 chapters 4, 5,6
  4. Texas Instruments Type 2N3055 N-P-N Single Diffused Mesa Silicon Power Transistor data sheet, Texas Instruments, bulletin number DL-S-719659, August 1967, revised December 1971
  5. Anon, Unknown, “Heat sink selection”, Mechanical engineering department, San Jose State University [27 January 2010].
  6. “Aluminium Matter Organization UK”
  7. “Copper heatsinks”. Cooliance.
  8. “Heatsink Design and Selection: Material”. ABL Heatsinks.
  9. Anthony, T. R.; Banholzer, W. F.; Fleischer, J. F.; Wei, Lanhua; Kuo, P. K.; Thomas, R. L.; Pryor, R. W. (1989). “Thermal conductivity of isotopically enriched 12C diamond”. Physical Review B 42 (2): 1104–1111. Bibcode:.42.1104A. doi:10.1103/PhysRevB.42.1104.
  10. Sergent, J.; Krum, A. (1998). Thermal management handbook for electronic assemblies (First ed.). McGraw-Hill.
  11. Incropera, F.P. and DeWitt, D.P., 1985, Introduction to heat transfer, John Wiley and sons, NY.
  12. R. Hajmohammadi, S. Poozesh, S. S. Nourazar, A. Habibi Manesh, Optimal architecture of heat generating pieces in a fin, Journal of Mechanical Science and Technology, 27 (2013) 1143-1149.
  13. R. Hajmohammadi, S. Poozesh, S. S. Nourazar, Constructal design of multiple heat sources in a square-shaped fin, Journal of Process Mechanichal Engineering, 226 (2012) 324-336.
  14. R. Hajmohammadi, S. Poozesh and R. Hosseini, Radiation effect on constructal design analysis of a T-Y-shaped assembly of fins, Journal of Thermal Science and Technology, 7 (2012) 677-692.
  15. R. Hajmohammadi, M. R. Salimpour, M. Saber and A. Campo, Detailed analysis for the cooling performance enhancement of a heat source under a thick plate, Energy Conversion and Management, 76 (2013) 691–700
  16. R. Hajmohammadi, M. Moulod, O. Joneydi Shariatzadeh and A. Campo, Effect of a thick plate on the excess temperature of iso-heat flux heat sources cooled by laminar forced convection flow; Conjugate analysis, Numerical Heat Transfer, Part A 66 (2014) 205–216.
  17. Forghan, F., Goldthwaite, D., Ulinski, M., Metghalchi, M., 2001, Experimental and Theoretical Investigation of Thermal Performance of Heat Sinks, ISME May.
  18. Lasance, C.J.M and Eggink, H.J., 2001, A Method to Rank Heat Sinks in Practice: The Heat Sink Performance Tester, 21st IEEE SEMI-THERM Symposium.
  19. Bejan, Constructal-theory network of conducting paths for cooling a heat generating volume, Int. J. Heat Mass Transfer 40 (1997) 799e816.
  20. R. Hajmohammadi, O. Joneydi Shariatzadeh, M. Moulod and S.S. Nourazar, Phi and Psi shaped conductive routes for improved cooling in a heat generating piece, International Journal of Thermal Sciences 77 (2014) 66–74
  21. R. Hajmohammadi, V. Alizadeh Abianeh, M. Moezzinajafabadi and M. Daneshi, Fork-shaped highly conductive pathways for maximum cooling in a heat generating piece, Applied Thermal Engineering, 61 (2013) 228–235
  22. Lorenzini, C. Biserni, L.A.O. Rocha, Constructal design of X-shaped conductive pathways for cooling a heat-generating body, Int. J. Heat Mass Transfer 58 (2013) 513e520.
  23. Bisemi C, Rocha LAO, Bejan A. Inverted fins: geometric optimization of the intrusion into a conducting wall. Int J Heat Mass Transfer 2004;47:2577–86.
  24. R. Hajmohammadi, S. Poozesh, A. Campo and Seyed Salman Nourazar, Valuable reconsideration in the constructal design of cavities, Energy Conversion and Management, 66 (2013) 33–40.
  25. Lorenzini G, Biserni C, Rocha LAO. Geometric optimization of isothermal cavities according to Bejan’s theory. Int J Heat Mass Transfer 2011;54: 3868–73.
  26. Pouzesh, M. R. Hajmohammadi and S. Poozesh, Investigations on the internal shape of constructal cavities intruding a heat generating body, Thermal Science, DOI: 10.2298/TSCI120427164P 2012.
  27. http://ludens.cl/Electron/Thermal.html
  28. Azar, K, et al., 2008, “Thermally Conductive Tapes”, can-dotape.com, accessed on 3/21/2013
  29. Lienard, J. H., IV & V (2004). A Heat Transfer Textbook (Third ed.). MIT.
  30. Saint-Gobain (2004). “Thermal management solutions for electronic equipment” (PDF). Retrieved 22 July 2008.
  31. Bider, C. (2009). “Effect of thermal environment on LED light emission and lifetime” (PDF). LED Professional Review May/June 2009.
  32. Azar, K. et al. (September 2009). “LED lighting: A case study in thermal management” (PDF). Qpedia Thermal E-Magazine.
  33. James Johnston, “Reed Switches”, Electronics in Meccano, Issue 6, January 2000.
  34. Jeggels, Y. U.; Dobson, R. T.; Jeggels, D. H. “Comparison of the cooling performance between heat pipe and aluminium conductors for electronic equipment enclosures”. 2007. Missing or empty |title= (help)
  35. Prstic, S.; Iyengar, M.; Bar-Cohen, A. (2000). “Bypass effect in high performance heat sinks”. Proceedings of the International Thermal Science Seminar Bled, Slovenia, June 11– 14.
  36. Mills, A.F., 1999, Heat transfer, Second edition, Prentice Hall.
  37. Potter, C. M.; Wiggert, D. C. (2002). Mechanics of fluid (Third ed.). Brooks/Cole.
  38. White, F. M. (1999). Fluid mechanics (Fourth ed.). McGraw-Hill International.
  39. Azar, A. et al. (January 2009). “Heat sink testing methods and common oversights” (PDF). Qpedia Thermal E-Magazine.
  40. http://heatsinkcalculator.com
  41. Kuzmin, D., Unknown, “Course: Introduction to CFD”, Dortmund University of Technology.
  42. Kim, Seo Young; Koo, Jae-Mo; Kuznetsov, Andrey V. (2001). “Effect of anisotropy in permeability and effective thermal conductivity on thermal performance of an aluminum foam heat sink”. Numerical Heat Transfer Part A: Applications 40 (1): 21–36. Bibcode:..40…21K. doi:10.1080/104077801300348851.

 

 

اترك تعليق

آخر المقالات