Tản nhiệt là một trong những thành phần cơ bản nhất được sử dụng để làm mát các thiết bị điện tử. Bất cứ khi nào nguồn nhiệt không thể tản nhiệt hiệu quả thông qua dẫn nhiệt và cần làm mát hiệu quả hơn, tản nhiệt sẽ được sử dụng để truyền nhiệt ra khỏi nguồn và tản nhiệt thông qua dẫn nhiệt và đối lưu tối ưu.

Tản nhiệt được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử công suất, thiết bị viễn thông, máy chủ, đèn LED, thiết bị điện tử ô tô và các thiết bị công nghiệp.

cấu trúc cơ bản của bộ tản nhiệt

Một bộ tản nhiệt điển hình chủ yếu bao gồm hai phần:

• căn cứ

• cho đến khi

Phần đế thường là một bề mặt phẳng tiếp xúc trực tiếp với nguồn nhiệt. Chức năng của nó là truyền nhiệt từ điểm nóng và phân phối nhiệt đều khắp các lá tản nhiệt.

Các lá tản nhiệt được thiết kế để tăng tổng diện tích bề mặt của bộ tản nhiệt. Chúng có thể được sản xuất với nhiều hình dạng khác nhau và thường được đặt thẳng đứng từ đế để tối đa hóa khả năng tản nhiệt.

Mục tiêu thiết kế chính của bộ tản nhiệt là tối đa hóa diện tích bề mặt, cho phép truyền nhiều nhiệt hơn ra không khí xung quanh.

vật liệu tản nhiệt

Trừ một vài trường hợp ngoại lệ, tản nhiệt thường được làm từ các kim loại dẫn nhiệt tốt, phổ biến nhất là nhôm hoặc đồng.

nhôm

Nhôm là vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất cho các bộ tản nhiệt.

• Độ dẫn nhiệt: 235 W/mK

• nhẹ

• tiết kiệm chi phí

• dễ sản xuất

Những đặc tính này làm cho nhôm trở nên lý tưởng cho các giải pháp tản nhiệt nhẹ và tiết kiệm chi phí.

đồng

Đồng cũng là một vật liệu phổ biến khác được sử dụng cho bộ tản nhiệt.

• Độ dẫn nhiệt: ~400 W/mK

• khả năng truyền nhiệt cao hơn

Mặc dù đồng nặng hơn và đắt hơn, nhưng nó thường được yêu cầu trong các ứng dụng tản nhiệt hiệu suất cao.

Đối lưu tự nhiên so với đối lưu cưỡng bức

Các bộ tản nhiệt thường được phân loại thành hai loại dựa trên điều kiện luồng không khí.

đối lưu tự nhiên (làm mát thụ động)

Các bộ tản nhiệt thụ động chỉ dựa vào luồng không khí tự nhiên để loại bỏ nhiệt.

Chúng được thiết kế để:

• tối đa hóa diện tích bề mặt

• cho phép không khí lưu thông tự nhiên

• hoạt động mà không cần thêm các thành phần chủ động.

Tản nhiệt thụ động thường được sử dụng trong các thiết bị điện tử công suất thấp.

đối lưu cưỡng bức (làm mát chủ động)

Tản nhiệt chủ động sử dụng quạt hoặc máy thổi để đẩy không khí qua các lá tản nhiệt.

Luồng không khí cưỡng bức này tạo ra sự nhiễu loạn, làm tăng đáng kể hiệu quả truyền nhiệt và khả năng làm mát.

Các giải pháp làm mát chủ động được sử dụng rộng rãi trong:

• máy chủ

• điện tử công suất

• hệ thống điện toán hiệu năng cao

các loại tản nhiệt phổ biến

Có nhiều công nghệ sản xuất khác nhau được sử dụng để chế tạo tản nhiệt, mỗi công nghệ phù hợp với các yêu cầu và ứng dụng tản nhiệt khác nhau.

1. Tản nhiệt dập khuôn (ở cấp độ bo mạch)

Tản nhiệt dập khuôn được sản xuất từ tấm kim loại bằng quy trình dập khuôn liên tục. Mỗi bước dập khuôn sẽ thêm các đặc điểm và chi tiết khi kim loại đi qua khuôn.

Các bộ tản nhiệt này thường được thiết kế cho các loại linh kiện điện tử cụ thể để đảm bảo sự phù hợp tối ưu trên các bảng mạch in (PCB).

Chúng có thể hoạt động ở chế độ thụ động hoặc bao gồm quạt để tăng lưu lượng không khí trên toàn bộ bề mặt.

thuận lợi

• Lý tưởng cho các ứng dụng công suất thấp (0–5W)

• lắp ráp nhanh chóng và đơn giản

• chi phí sản xuất thấp

• có khả năng mở rộng cho sản xuất số lượng lớn

• Có sẵn cho nhiều loại bao bì

nhược điểm

• Không thích hợp cho các ứng dụng trên 5W.

• Kích thước có giới hạn (thường dưới 50 mm)

• Được thiết kế để làm mát chỉ một thiết bị duy nhất.

2. Tản nhiệt nhôm đùn

Ép đùn là một trong những phương pháp sản xuất tản nhiệt phổ biến và tiết kiệm chi phí nhất.

Các loại tản nhiệt đùn có kích thước khác nhau tùy thuộc vào ứng dụng. Các phiên bản nhỏ hơn được sử dụng để làm mát ở cấp độ bo mạch, trong khi các phiên bản lớn hơn được thiết kế để quản lý nhiệt cho các thiết bị công suất trung bình.

Chúng có thể được tối ưu hóa cho cả làm mát thụ động và chủ động, tùy thuộc vào hình dạng và khoảng cách giữa các lá tản nhiệt.

Tản nhiệt đùn cấp bo mạch thường được sử dụng cho các linh kiện như:

• bga

• FPGA

Quá trình ép đùn bắt đầu bằng một khuôn định hình xác định cấu trúc vây, khoảng cách và kích thước đáy. Nhôm được nung nóng sau đó được đẩy qua khuôn để tạo ra một thanh nhôm dài, sau đó được cắt thành chiều dài mong muốn và xử lý tiếp.

thuận lợi

• Lý tưởng cho các ứng dụng công suất trung bình

• sản xuất tiết kiệm chi phí

• Khả năng mở rộng cao cho sản xuất hàng loạt

• dễ dàng tùy chỉnh

• Cấu trúc nguyên khối với điện trở nhiệt thấp

nhược điểm

• Không phù hợp cho các ứng dụng công suất rất cao.

• Giới hạn kích thước (khoảng 23 inch chiều rộng và 47 inch chiều dài)

• Các biên dạng lớn có thể gặp hạn chế về khâu hoàn thiện.

3. Tản nhiệt dạng vây cắt gọt

Gia công bằng phương pháp bào mỏng là một quy trình gia công tạo hình các cánh tản nhiệt trực tiếp từ một khối kim loại rắn. Các lớp mỏng được cắt ra từ khối kim loại gốc và gấp lên trên để tạo thành các cánh tản nhiệt.

Vì các cánh tản nhiệt và đế được làm từ cùng một mảnh vật liệu nên không có mối nối hay giao diện nào, giúp giảm điện trở nhiệt.

Quá trình này cũng cho phép tạo ra các vây rất mỏng và có mật độ vây cao, làm tăng đáng kể tổng diện tích bề mặt.

Khác với phương pháp ép đùn, phương pháp bào mỏng không cần dụng cụ chuyên dụng, giúp giảm chi phí dụng cụ và cho phép tạo mẫu nhanh hơn.

thuận lợi

• hiệu quả làm mát cao

• vây mỏng và mật độ vây cao

• chi phí dụng cụ thấp hơn

• tiết kiệm chi phí cho tản nhiệt bằng đồng

nhược điểm

• Không lý tưởng cho các ứng dụng công suất cực cao.

• giới hạn kích thước

• Vây mỏng có thể dễ bị gãy hơn.

• Không phù hợp lắm cho sản lượng rất lớn.

4. Tản nhiệt dạng vây liên kết và dạng vây hàn

Tản nhiệt dạng vây liên kết bao gồm hai thành phần chính:

• một cái đế (đùn hoặc gia công)

• Các vây riêng lẻ được gắn với nhau bằng chất kết dính dẫn nhiệt, epoxy hoặc hàn.

Các cánh tản nhiệt thường được dập từ tấm kim loại mỏng, trong khi phần đế có thể được ép đùn, đúc khuôn hoặc gia công bằng máy.

Các công nghệ nhiệt bổ sung như ống dẫn nhiệt hoặc buồng hơi cũng có thể được tích hợp vào phần đế để cải thiện hiệu suất.

Tản nhiệt dạng vây liên kết mang lại sự linh hoạt hơn trong thiết kế và cho phép mật độ vây cao hơn trong một diện tích nhỏ hơn.

thuận lợi

• Thiết kế nhỏ gọn, phù hợp với các ứng dụng có không gian hạn chế.

• hiệu suất nhiệt cao

• thích hợp cho đối lưu cưỡng bức

• khoảng cách vây hẹp

• tỷ lệ khung hình vây cao

• tích hợp thiết kế linh hoạt

• chi phí dụng cụ thấp hơn

nhược điểm

• Không lý tưởng cho môi trường có độ rung cao.

• Không phù hợp khi điện trở nhiệt yêu cầu dưới 0,01°C/W

5. Tản nhiệt dạng vây có khóa kéo

Các vây khóa kéo được làm từ một loạt các vây kim loại tấm được dập riêng lẻ, sau đó được gấp lại và khóa chặt với nhau.

Các vây này có thể được sắp xếp theo một trong hai cách sau:

• các kênh kín để điều hướng luồng không khí

• Cấu hình mở cho luồng không khí đa hướng

Thông thường, các lá tản nhiệt được gắn vào đế tản nhiệt hoặc ống dẫn nhiệt bằng phương pháp hàn, hàn thiếc hoặc dán epoxy.

Thiết kế này mang lại độ ổn định cơ học tuyệt vời và tính linh hoạt cao cho các giải pháp tản nhiệt tích hợp.

thuận lợi

• hiệu suất nhiệt cao

• Lý tưởng cho các ứng dụng luồng khí cưỡng bức.

• tích hợp thiết kế linh hoạt

• chi phí dụng cụ thấp hơn

• nhẹ

• có thể cải thiện hiệu suất ống dẫn nhiệt

• độ ổn định cơ học được tăng cường

nhược điểm

• một số hạn chế đối với các yêu cầu về điện trở nhiệt cực thấp

6. Tản nhiệt dạng vây gấp

Các vây gấp được tạo ra bằng cách uốn các tấm kim loại mỏng thành các hình dạng phức tạp để tăng diện tích bề mặt.

Các lá tản nhiệt này thường được gắn kết hoặc hàn vào đế để tạo thành cụm tản nhiệt hoàn chỉnh. Công nghệ lá tản nhiệt gấp cũng có thể được sử dụng trong các giải pháp tấm làm mát bằng chất lỏng.

thuận lợi

• diện tích bề mặt tăng lên

• hiệu suất vây cao

• Tương thích với nhiều loại vật liệu

• cấu trúc nhẹ

nhược điểm

• Hiệu quả tốt nhất khi luồng không khí được dẫn trực tiếp qua các cánh tản nhiệt.

• chi phí sản xuất cao hơn trong một số trường hợp

7. Tản nhiệt đúc khuôn

Tản nhiệt đúc khuôn được sản xuất dưới dạng cấu trúc nguyên khối bằng cách sử dụng kim loại nóng chảy được bơm vào các khuôn được thiết kế riêng.

Phương pháp sản xuất này lý tưởng cho sản xuất số lượng lớn và cho phép tạo ra các hình dạng phức tạp mà khó có thể đạt được bằng các quy trình khác.

Sau khi đúc, chỉ cần gia công và hoàn thiện tối thiểu để có được sản phẩm cuối cùng.

thuận lợi

• Lý tưởng cho sản xuất số lượng lớn

• Thích hợp cho các hình dạng phức tạp

• điện trở nhiệt thấp hoặc gần bằng không

nhược điểm

• chi phí dụng cụ và khuôn mẫu ban đầu cao