วิธีเลือกวัสดุตู้อะลูมิเนียมที่มีคุณสมบัติการกระจายความร้อนที่แตกต่างกันสำหรับผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์

ในโลกของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ประสิทธิภาพสูง- ความร้อนคือนักฆ่าเงียบขั้นสุดยอด เมื่อส่วนประกอบหดตัวและความหนาแน่นของพลังงานเพิ่มขึ้น "งบประมาณด้านความร้อน" ของอุปกรณ์มักจะเป็นตัวกำหนดความสำเร็จหรือความล้มเหลว สำหรับวิศวกรและนักออกแบบผลิตภัณฑ์ต้องเลือกให้เหมาะสมกล่องอลูมิเนียมอิเล็กทรอนิกส์ไม่ได้เป็นเพียงแค่ความสวยงามหรือความสมบูรณ์ของโครงสร้างอีกต่อไป- แต่ยังเป็นการตัดสินใจด้านการจัดการระบายความร้อนที่สำคัญอีกด้วย

อะลูมิเนียมถือเป็นมาตรฐานอุตสาหกรรมด้วยเหตุผลบางประการ: อะลูมิเนียมมีอัตราส่วนความแข็งแรง-ต่อ-น้ำหนักที่ยอดเยี่ยม และที่สำคัญที่สุดคือมีค่าการนำความร้อนสูง อย่างไรก็ตาม ไม่ใช่ว่าอลูมิเนียมทั้งหมดจะถูกสร้างขึ้นมาเท่ากัน ตั้งแต่องค์ประกอบของโลหะผสมไปจนถึงกระบวนการผลิตและการตกแต่งพื้นผิว ตัวแปรทุกตัวจะเปลี่ยนการถ่ายเทความร้อนจาก PCB ของคุณไปยังอากาศโดยรอบ

1. ฟิสิกส์ว่าทำไมอะลูมิเนียมถึงชนะ

ก่อนที่จะเลือกโลหะผสม สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจว่าเหตุใดเราจึงใช้อะลูมิเนียมเหนือวัสดุอื่นๆ เช่น เหล็กหรือพลาสติก ตามพื้นฐานของความร้อนและการถ่ายเทมวลโดย Incropera และ DeWitt ประสิทธิภาพของแผงระบายความร้อนหรือตู้หุ้มจะขึ้นอยู่กับค่าการนำความร้อน (κ) เป็นหลัก

• โพลีคาร์บอเนต/เอบีเอส µ0.2 W/m·K
• สแตนเลส 304 มีความยาว16 W/m·K
• อลูมิเนียมอัลลอยด์ µ 90 – 230 W/m·K

ความสามารถของอลูมิเนียมในการเคลื่อนย้ายความร้อนนั้นมากกว่าเหล็กกล้าไร้สนิมเกือบ 15 เท่าและมากกว่าพลาสติกหลายร้อยเท่า เมื่อคุณเก็บส่วนประกอบของคุณไว้กล่องอลูมิเนียมอิเล็กทรอนิกส์แชสซีทั้งหมดจะกลายเป็น "ตัวกระจายความร้อน" ซึ่งเป็นการเพิ่มพื้นที่ผิวที่มีประสิทธิภาพสำหรับการพาความร้อน

2. การเลือกโลหะผสม: ส่วนลดค่าการนำไฟฟ้าเทียบกับความสามารถในการผลิต-

ในอุตสาหกรรมตู้ ตระกูลโลหะผสมเฉพาะสามตระกูลมีอิทธิพลเหนือภูมิทัศน์ การเลือกระหว่างสองสิ่งนี้จำเป็นต้องมีความสมดุลระหว่างประสิทธิภาพการระบายความร้อนกับความซับซ้อนของการออกแบบของคุณ

อะลูมิเนียม 6063: ราชาแห่งการอัดขึ้นรูป

หากการออกแบบของคุณต้องการครีบระบายความร้อนในตัว 6063 คือตัวเลือกหลักของคุณ มักเรียกกันว่า "อะลูมิเนียมเชิงสถาปัตยกรรม" ซึ่งสามารถอัดขึ้นรูปได้สูง

• การนำความร้อน≈ 200-210 W/m·K.
• ดีที่สุดสำหรับ:แผงระบายความร้อน โครง LED และโครงยึดชั้นวางแบบโมดูลาร์-
• ทำไม:ปริมาณซิลิคอนและแมกนีเซียมที่สูงได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการ "ดัน" ผ่านดาย ในขณะเดียวกันก็รักษาเส้นทางระบายความร้อนที่ดีเยี่ยม

อะลูมิเนียม 6061: ขุมพลังด้านโครงสร้าง

เมื่อตู้ของคุณต้องการทนต่อแรงเค้นเชิงกลสูงหรือต้องใช้เครื่องจักร CNC อย่างกว้างขวาง 6061 คือมาตรฐาน

• การนำความร้อน≈ 150-170 W/m·K.
• ดีที่สุดสำหรับ:ส่วนประกอบการบินและอวกาศ คอมพิวเตอร์อุตสาหกรรมที่ทนทาน และบด-จาก-โครงแข็ง (เหล็กแท่ง)
• ทำไม:แม้ว่าค่าการนำความร้อนจะต่ำกว่า 6063 ประมาณ 20% แต่ความแข็งแรงของผลผลิตที่เหนือกว่าทำให้เป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้สำหรับตัวเรือนป้องกัน

ADC12 / A380 (โลหะผสมหล่อ-)

สำหรับ-การผลิตปริมาณมากที่มีรูปทรง 3 มิติที่ซับซ้อน การหล่อ-เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพด้านต้นทุน-มากที่สุด อย่างไรก็ตาม มี "ภาษีความร้อน" สำหรับการใช้การหล่อโลหะผสม

การนำความร้อน≈ 90-100 W/m·K.

ดีที่สุดสำหรับ:ECU ของยานยนต์ อุปกรณ์โทรคมนาคม และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค

ทำไม:ปริมาณซิลิคอนสูง (มากถึง 12%) ที่จำเป็นในการทำให้โลหะหลอมเหลวไหลเข้าสู่แม่พิมพ์ที่สลับซับซ้อนจะไปขัดขวางโครงตาข่ายคริสตัลของอลูมิเนียม ซึ่งลดความสามารถในการนำความร้อนได้อย่างมากเมื่อเทียบกับโลหะผสมที่ขึ้นรูปแล้ว [1]

3. ผลกระทบของกระบวนการผลิตที่มีต่อการต้านทานความร้อน

วิธีที่คุณสร้างของคุณกล่องอลูมิเนียมอิเล็กทรอนิกส์สร้าง "ความต้านทานต่อส่วนต่อประสานความร้อน" ในอุณหพลศาสตร์ ความต้านทานความร้อนรวมของระบบคือผลรวมของแต่ละชิ้นส่วน:

ถ้าเปลือกหุ้มทำจากแผ่นหลายแผ่นยึดติดกัน ช่องว่างระดับจุลภาคระหว่างแผ่นเหล่านั้นจะทำหน้าที่เป็นฉนวน

1. กลึง CNC (เสาหิน) :การแกะสลักกรอบหุ้มจากบล็อกเดียว 6061 ให้ความต้านทานความร้อนต่ำที่สุดเนื่องจากไม่มีข้อต่อ ความร้อนไหลได้อย่างราบรื่นจากกระดานข้างก้นไปยังผนังด้านนอก

2. อัดขึ้นรูป (ตามโปรไฟล์-):"ปลอก" ที่อัดออกมาให้เส้นทางความร้อนด้านข้างที่ดีเยี่ยม แต่ต้องใช้แผ่นปลาย- หากส่วนประกอบที่สร้างความร้อน-ถูกติดตั้งไว้ที่แผ่นปิดท้าย-แทนที่จะเป็นโปรไฟล์หลัก ประสิทธิภาพจะลดลง

3. ดาย-นักแสดง:ในขณะที่ค่าการนำไฟฟ้าของวัสดุต่ำกว่า ความสามารถในการหล่อหมุด "ที่เป็นส่วนประกอบ" และครีบที่ซับซ้อนลงบนแชสซีโดยตรง มักจะสามารถชดเชยค่า κ ที่ต่ำกว่าของวัสดุได้โดยการเพิ่มพื้นที่ผิวสำหรับการพาความร้อนอย่างมาก

4. การรักษาพื้นผิว: การแผ่รังสีและการแผ่รังสี

ความเข้าใจผิดที่พบบ่อยในอุตสาหกรรมนี้ก็คือการตกแต่งพื้นผิวนั้นมีไว้เพื่อ "รูปลักษณ์" เท่านั้น ในความเป็นจริง การตกแต่งจะเป็นตัวกำหนดลักษณะของกล่องหุ้มการแผ่รังสีซึ่งเป็นความสามารถในการเปล่งพลังงานโดยการแผ่รังสี

ตามที่สภาอลูมิเนียมอโนไดเซอร์, อลูมิเนียมเปลือยมีการปล่อยรังสีต่ำมาก (ประมาณ 0.05) ซึ่งหมายความว่าการแผ่ความร้อนจะแย่มาก

• อโนไดซ์ (ใสหรือสีดำ):กระบวนการนี้จะสร้างชั้นออกไซด์ที่มีรูพรุนซึ่งสามารถเพิ่มการแผ่รังสีได้เป็น 0.80 – 0.90 แม้จะมีความเชื่อผิดๆ กันทั่วไป แต่สีก็มีผลกระทบเล็กน้อยต่อประสิทธิภาพการระบายความร้อนในสภาพแวดล้อมภายในอาคาร อย่างไรก็ตาม,อโนไดซ์สีดำเป็นที่ต้องการสำหรับการใช้งานกลางแจ้งเพื่อจัดการการดูดซับแสงอาทิตย์และรังสีอินฟราเรดได้ดีขึ้น [2]
• เคลือบผง :ในขณะที่มีความสวยงามหลากหลาย แต่การเคลือบสีฝุ่นโดยพื้นฐานแล้วก็คือชั้นพลาสติก มันทำหน้าที่เป็นฉนวนความร้อน
• การแปลงโครเมต (ฟิล์มอะโลดีน/เคมี-):ดีเยี่ยมสำหรับการรักษาสภาพการนำไฟฟ้า (สายดิน) ในขณะที่ให้ความต้านทานการกัดกร่อนปานกลางโดยไม่มีฉนวนความร้อนของสีฝุ่นหนา

5. การเพิ่มประสิทธิภาพทางเรขาคณิต: ครีบและความหนาของผนัง

"ประสิทธิภาพครีบ" คือการคำนวณที่สำคัญในการออกแบบแผงระบายความร้อน หากครีบยาวและบางเกินไป ครีบก็จะไร้ประโยชน์เพราะความร้อนไม่สามารถเข้าถึงได้ หากมีความหนาเกินไป ก็จะลดพื้นที่ว่างในการไหลเวียนของอากาศ

ในการออกแบบเปลือกหุ้มสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์(ข้อมูลอ้างอิงในอุตสาหกรรมโดย Scott, 2012) สังเกตว่าสำหรับการพาความร้อนตามธรรมชาติ ระยะห่างระหว่างครีบมีความสำคัญมากกว่าความสูงของครีบ หากครีบมีระยะห่างกันน้อยกว่า 6-8 มม. "ชั้นขอบเขต" ของอากาศจะทับซ้อนกัน จะทำให้การไหลเวียนของอากาศติดขัด และทำให้อุปกรณ์ร้อนเกินไป [3]

เมื่อออกแบบของคุณกล่องอลูมิเนียมอิเล็กทรอนิกส์ให้พิจารณาปฐมนิเทศ ความร้อนเพิ่มขึ้น ดังนั้นครีบแนวตั้งมักจะมีประสิทธิภาพดีกว่าครีบแนวนอนเสมอในสภาพแวดล้อมที่มีการพาความร้อนตามธรรมชาติ

6. สรุป: เมทริกซ์การตัดสินใจ

บทสรุป

การเลือกใช้วัสดุให้เหมาะสมกล่องอลูมิเนียมอิเล็กทรอนิกส์เป็นความท้าทายทางวิศวกรรมหลายมิติ ด้วยความเข้าใจว่ากล่องหุ้มไม่ได้เป็นเพียง "กล่อง" แต่เป็นส่วนประกอบที่ทำงานอยู่ของวงจรระบายความร้อน คุณสามารถยืดอายุการใช้งานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของคุณได้อย่างมาก และป้องกันความล้มเหลวของสนามที่มีค่าใช้จ่ายสูง

อ้างอิง

• [1] การถ่ายเทความร้อน: แนวทางปฏิบัติ, ยูนุส เอ. เชนเจล.
• [2] การรักษาพื้นผิวและการตกแต่งอลูมิเนียมและโลหะผสม, พีจี เชียสบี้ และ อาร์. พินเนอร์.
• [3] เทคนิคการทำความเย็นสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์, เดฟ เอส. สไตน์เบิร์ก.