Dominando el diseño de disipadores de calor: Principios probados y 4 consejos esenciales para máximo rendimiento

La creciente demanda de electrónica de alto rendimiento ha llevado a la producción de electrónica avanzada con microprocesadores rápidos y altas densidades de transistores. Esta modificación tecnológica en los componentes de tal electrónica ha resultado en mayor carga de calor durante la operación. Por tanto, un sistema de gestión térmica que presente el diseño correcto de disipador de calor es ideal para asegurar el rendimiento óptimo de la electrónica.

Con el fin de prevenir fallos del sistema de la electrónica y garantizar disipación de calor eficiente, los disipadores de calor son ideales para proporcionar efectos de enfriamiento en electrónica. Por tanto, en este artículo, responderíamos a la pregunta: ¿cómo funciona un disipador de calor? También exploraríamos la importancia de un disipador de calor, los fundamentos de un diseño de disipador de calor y cómo optimizar un diseño de disipador de calor para rendimiento óptimo de electrónica. Vamos a sumergirnos.

Fundamentos del diseño de disipador de calor

Un disipador de calor es un componente mecánico usado en dispositivos electrónicos para prevenir sobrecalentamiento de componentes eléctricos proporcionando enfriamiento suplementario. Disipa calor de un componente eléctrico, usualmente un transistor de potencia, al entorno circundante. Este entorno es más comúnmente un medio fluido de temperatura más baja como aire o un refrigerante líquido.

Los disipadores de calor usualmente están en transistores o procesadores. Los fabricantes los equipan con un ventilador incorporado para disipar energía del electrónico. Sin embargo, no todos los disipadores de calor tienen conexión a un ventilador. Los que tienen conexión a ventilador son "Disipadores de calor activos", y los que no tienen disipador de calor son conocidos como "Disipadores de calor pasivos".

Importancia de usar disipadores de calor

Un disipador de calor es importante en la mayoría de productos electrónicos debido a su capacidad para prevenir sobrecalentamiento de componentes eléctricos. Por tanto, el dispositivo podrá trabajar a la temperatura especificada. A continuación se muestran otras razones por las que los disipadores de calor son importantes.

• Mantenimiento de energía térmica

Un disipador de calor mantiene la energía térmica controlada del dispositivo electrónico transfiriendo calor de los elementos del circuito electrónico al entorno.

• Mejora la fiabilidad electrónica

Un disipador de calor mejora la fiabilidad de dispositivos electrónicos debido a prevenir fallo de componentes por su función.

• También proporciona calor

Los disipadores de calor proporcionan calor en casos de caída de temperatura dentro del circuito eléctrico.

Basado en tal importancia, los disipadores de calor son ahora componentes esenciales de muchos dispositivos electrónicos. Por ejemplo, son parte de la unidad central de procesamiento de computadoras.

Aplicaciones

Los disipadores de calor tienen una amplia gama de aplicaciones, especialmente en dispositivos electrónicos. La razón es que estos dispositivos generan una gran cantidad de calor durante la operación, y no pueden moderar su temperatura. Este calor generado puede impactar el rendimiento de semiconductores dentro del dispositivo electrónico. Por tanto, resultando en fallo de componentes y finalmente el daño del dispositivo.

Analizar el rendimiento térmico de cada dispositivo electrónico es arduo. Por tanto, el diseño de disipadores de calor es proporcionar enfriamiento suplementario a estos dispositivos disipando calor al entorno desde componentes eléctricos como diodos, reguladores de voltaje, transistores y circuitos integrados.

Factores y consejos en diseño de disipador de calor

La disipación efectiva de energía térmica por un disipador de calor depende en gran medida de su diseño. Como intercambiador de calor pasivo, un diseño de disipador de calor debería permitir fácil transferencia de calor a su entorno. Este proceso de transferencia de calor es usualmente por conducción, convección o radiación. A veces, es una combinación de estos tres métodos de transferencia de calor. Para construcción eficiente de disipador de calor, hay muchos factores a considerar. A continuación se explica los factores cogentes que deberías incluir antes de aprender cómo crear un disipador de calor.

Resistencia térmica

La resistencia térmica se refiere a la resistencia al flujo de calor entre el semiconductor y el entorno. El entorno puede ser aire ambiente o un fluido refrigerante.

Determinar la resistencia térmica de un dispositivo es importante en la selección de disipadores de calor. Esto es porque el camino para la disipación de calor debe tener una cantidad considerable de resistencia térmica. Esto, a su vez, determinará qué tan rápido tiene lugar la transferencia de calor. La resistencia térmica asegura la eficiencia de un disipador de calor ya que muestra si hay una reducción de temperatura.

Materiales usados en diseño de calor

· Material del disipador de calor

La mayoría de disipadores de calor vienen de aleaciones de Aluminio y Cobre porque son altamente conductivos. El aluminio es menos costoso, y es ideal basado en su ductilidad que lo hace fácil de diseñar para fabricar disipadores de calor. Hay otros materiales. Por ejemplo, el cobre, debido a su alta conductividad térmica y resistencia a la corrosión, suele ser parte del diseño de disipador de calor. Sin embargo, el aluminio es el material más dominante. Esta combinación ha demostrado ser más efectiva y puede emplearse en tu módulo para construcción de disipador de calor.

· Materiales de interfaz

Los materiales de interfaz térmica son el material que compone el espacio entre el disipador de calor. Normalmente es aire. Sin embargo, algunos fabricantes usan otros materiales como mica. Los materiales de interfaz térmica reducen la resistencia térmica de un dispositivo electrónico y aseguran su rápida transferencia de energía térmica.

El calor generado por el dispositivo es una suma de su generación de calor de componentes. Dado que el componente tiene resistencia térmica variable, no es fácil garantizar disipación efectiva de calor. Para garantizar flujo efectivo de calor desde el dispositivo electrónico, minimiza la resistencia térmica. Esto es posible incorporando un material de interfaz térmica.

Forma y disposición de aletas

La disipación eficiente de calor del dispositivo a un medio refrigerante también depende de la disposición de aletas. El diseño de disipador de calor normalmente presenta aletas soldadas durante la construcción del disipador de calor. La orientación de estas aletas es proporcionar un área de superficie que permita al aire pasar a través del disipador de calor. Por tanto, son críticas en el proceso de enfriamiento.

Por tanto, la eficiencia de aletas de disipador de calor depende de la forma de las aletas y debes considerarla para asegurar convección efectiva de calor desde el dispositivo electrónico y, a su vez, garantizar el enfriamiento del dispositivo y el disipador de calor.

Métodos de fijación de disipador de calor

La efectividad de los disipadores de calor mejorará eligiendo un método de fijación apropiado. Este proceso de selección debe considerar los requisitos térmicos y mecánicos del dispositivo antes de decidir qué método de fijación es más adecuado.

Aunque hay muchos métodos de fijar un disipador de calor a un dispositivo electrónico. Métodos comunes son:

– Cintas térmicas.

– Clips de alambre

– Clips de plástico.

– Push Pins.

– Tornillos de resorte.

Calculadora de resistencia térmica de diseño de disipador de calor

Diseñar un disipador de calor también viene con entender algunos cálculos relacionados con resistencia térmica. La ecuación abajo se usa para calcular la Resistencia Térmica (R_hs)

R_hs = (T_j-T_mb/P) – (R_th-jc) – R_interface

T_j: Temperatura máxima de unión del dispositivo en °C.

R_th-jc: Resistencia térmica de unión a carcasa

T_amb: Temperatura de aire ambiente en °C.

P: Calor disipado de la fuente de calor

R_interface: Resistencia de material de interfaz térmica

R_interface = (t_int/L_s x W_s x k_interface)

t_interface: Espesor de material de interfaz térmica

k_interface: Conductividad térmica de material de interfaz

L_s: Longitud de fuente de calor

W_s: Ancho de fuente de calor

Conocer el cálculo viene con entender lo anterior. Por tanto, será fácil incorporar tales parámetros en el diseño de disipador de calor para obtener una resistencia térmica mayor que la temperatura de operación más alta de un semiconductor. También, de la ecuación, puedes calcular la dimensión óptima del disipador de calor de tal manera que tendrás la temperatura más baja de la fuente de calor.

Conclusión

Los disipadores de calor son de alta importancia que el diseño de disipadores de calor es cuidadosamente estructurado para garantizar rendimiento efectivo. Por tanto, muchas cosas deben tomarse en consideración. Este artículo habla sobre tales factores que pueden ayudar en diseño de disipador de calor. También responde preguntas como cómo funciona un disipador de calor y consejos para incluir en tu guía de diseño.

Con este conocimiento, puedes optimizar tu diseño de disipador de calor para mejor rendimiento. ¿Quieres el mejor diseño de disipador de calor a bajo precio? Entonces deberías utilizar nuestros servicios. Consulta con nuestro equipo de soporte para asesoramiento de fabricación. Si ya tienes un archivo CAD, súbelo ahora para obtener una cotización instantánea para tu diseño.

Preguntas frecuentes

¿Cuántos disipadores de calor necesito para un proyecto?

El uso de un disipador de calor no debe determinarse al azar. Cada proyecto es único, y como tal, la cantidad de disipadores de calor a usar dependería en gran medida del tamaño de tu proyecto. También considera los factores de diseño de disipador de calor listados arriba.

¿Hay materiales alternativos para la producción de disipadores de calor?

Además del uso de aleaciones de cobre-aluminio en la producción de disipadores de calor, ha habido un avance en el uso de aluminio combinado con materiales derivados de carbono. Estos materiales derivados de carbono poseen mayor conductividad térmica que el cobre, y su fusión con aluminio, que es dúctil, lo hace una alternativa perfecta. Materiales compuestos de grafito natural también se han usado. Sin embargo, los disipadores de calor convencionales de aluminio y cobre han demostrado rendir mejor que las alternativas.