Disipadores de Calor Explicados: Función, Diseño y Proceso de Fabricación

Los dispositivos electrónicos como ordenadores personales generan calor al operar. La electricidad recorre los diversos cables y componentes del dispositivo, encontrando resistencia a su paso, y esta resistencia genera calor, elevando rápidamente la temperatura del dispositivo.

Sin control, este calor puede tener consecuencias desastrosas: componentes como la unidad central de procesamiento (CPU) son frágiles y no pueden soportar temperaturas extremadamente altas; el sobrecalentamiento puede por tanto llevar a mal funcionamiento o daño permanente.

Afortunadamente, muchos dispositivos electrónicos y mecánicos previenen este problema usando disipadores de calor (o heatsinks): componentes especiales que disipan el calor de áreas importantes del dispositivo para mantenerlo fresco y funcionando.

A pesar de su pequeño tamaño, los disipadores de calor son componentes increíblemente importantes y pueden fabricarse de muchas formas. Este artículo examina cómo funcionan los disipadores, sus ventajas, los diferentes tipos y cómo se fabrican.

¿Qué es un disipador de calor?

Un disipador de calor es un tipo de intercambiador de calor pasivo cuya función es regular la temperatura de un dispositivo electrónico o mecánico. Transfiere calor de un componente generador de calor a un fluido (aire o refrigerante líquido), permitiendo que el calor se disipe lejos del dispositivo.

Los disipadores funcionan usando un conductor térmico para tomar calor de una fuente de calor, dirigiéndolo hacia su propia gran superficie que contacta con el medio de refrigeración, es decir, aire u otro fluido. La necesidad de una gran superficie es por qué los disipadores típicamente consisten en una base conectada a una serie de aletas o pines muy estrechos: esta forma es la mejor manera de encajar la mayor superficie posible en un volumen dado.

Usados en diversos sectores, los disipadores se usan a menudo para enfriar componentes de ordenador como CPUs y GPUs, así como transistores de potencia y láseres.

Determinar si se necesita un disipador —y qué tipo— implica establecer la temperatura máxima de operación de unión de un circuito. Si se supera la temperatura de operación, llevará a mal funcionamiento o rotura. En general, componentes con temperatura máxima de operación más baja (o que simplemente generan mucho calor) requieren disipadores más efectivos.

Ventajas de los disipadores de calor

La función principal de un disipador es regular la temperatura y prevenir el sobrecalentamiento. Esto proporciona ventajas como:

• Prevenir sobrecalentamiento
• Prevenir fallo o rotura de componentes
• Proporcionar calor en caso de que la temperatura baje demasiado

Tipos de disipadores de calor

Los disipadores generalmente consisten en una base sólida con protrusiones saliendo de ella. Pero la forma y tamaño de estas protrusiones afecta el rendimiento. Las variedades más comunes incluyen:

• Disipador de aletas de pin (Pin-fin): Tienen pines que se extienden desde la base. Ofrecen la mayor superficie de todos los tipos y son mejores en bajo flujo de aire (o flujo aleatorio/multidireccional). Los pines pueden tener diferentes formas:
  • Cilíndricos
  • Elípticos
  • Cuadrados
• Disipador de aletas de placa (Plate fin): Más comunes que los de pin, tienen aletas rectangulares que se extienden desde la base. Son el mejor tipo cuando el flujo de aire es unidireccional.
• Disipador de aletas acampanadas (Flared fin): Una variación del de aletas de placa, tienen disposición de aletas acampanada y reducen la resistencia al flujo.

Algunos disipadores tienen ventiladores acoplados, y pueden llamarse disipadores activos o disipadores refrigerados por ventilador. Los que no tienen ventiladores pueden llamarse disipadores pasivos. Los ventiladores proporcionan una fuente constante de flujo de aire, mejorando la funcionalidad del disipador.

Materiales para disipadores de calor

Los disipadores se fabrican típicamente de aleaciones de aluminio o cobre, con el material determinado normalmente por aplicación, intensidad de calor, método de producción y presupuesto.

Aluminio: Los disipadores de aluminio suelen hacerse de aluminio 1050 (muy conductivo térmicamente pero baja resistencia) o aluminio 6060, 6061, o 6063 (menos conductivos pero con mejores propiedades mecánicas). Los disipadores más asequibles son generalmente de aleación de aluminio.

Cobre: Los disipadores de cobre ofrecen excelente conductividad térmica —el doble que el aluminio— así como resistencia a la corrosión, resistencia antimicrobiana y otras propiedades deseables. Esto hace que los disipadores de cobre sean una opción premium; sin embargo, el cobre es más caro que las aleaciones de aluminio y generalmente más difícil de conformar.

Métodos de fijación del disipador

El método de fijación es cómo se monta el disipador al componente cuya temperatura regula, ej. la CPU de un ordenador.

Los métodos incluyen cinta térmicamente conductora (para disipadores de baja masa), epoxi (unión mecánica fuerte pero irreversible), clips, clips de alambre en Z, empujadores de latón/plástico, o separadores roscados (para disipadores muy grandes).

Factores que afectan el rendimiento del disipador

Varias variables afectan cómo rinde un disipador y su efectividad disipando calor de un componente como una CPU. Factores importantes incluyen:

• La conductividad térmica del material del disipador (ej. cobre o aleación de aluminio)
• El tamaño del disipador
• El tipo, número y disposición de aletas en el disipador
• El tamaño de los conductos entre cada aleta
• El coeficiente de transferencia de calor
• La tasa de flujo de aire

Cómo fabricar disipadores de calor

¿Cómo se hace un disipador? Depende de varios factores, como el tamaño y material, y el tipo de fabricante. La fabricación puede involucrar diversas tecnologías de producción, incluyendo fundición y fresado CNC.

Extrusión

La extrusión, el proceso de forzar lingotes de metal caliente a través de una matriz de acero, es la forma más común de hacer disipadores de aluminio. Es un método rápido, efectivo y económico para hacer disipadores de materiales dúctiles como el aluminio 1050. Los disipadores de aluminio extruido se suelen anodizar antes de usar.

Esquileo (Skiving)

El esquileo o escarificado, el proceso de cortar material en láminas, es un proceso común para producir disipadores de aletas de placa y acampanadas. Permite aletas más finas y compactas que la extrusión, y también proporciona un nivel de rugosidad superficial, que aumenta ligeramente la superficie total.

Fundición (Casting)

La fundición, el proceso de verter metal fundido en un molde, es otra forma de hacer disipadores —de aluminio o cobre. Los disipadores de fundición a presión pueden tener alta complejidad y ofrecen excelentes propiedades mecánicas. La fundición a presión también se usa a veces para hacer disipadores de zinc.

Fresado (Milling)

El fresado, el proceso sustractivo de cortar material de una pieza bruta, es una forma asequible de hacer disipadores con prácticamente cualquier forma geométrica, de materiales como aleaciones de aluminio. Los disipadores fresados (o mecanizados) pueden ser más caros que alternativas, especialmente en grandes cantidades, pero también pueden hacerse muy rápido. Más sobre mecanizado de aluminio.

Impresión 3D

Avances recientes en fabricación aditiva de cobre han hecho los disipadores impresos en 3D una alternativa viable a los tradicionales. Las tecnologías de fusión de lecho de polvo y deposición de energía dirigida se han usado con más éxito para este propósito.

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