كيفية اختيار المشتت الحراري

مع ازدياد الحرارة المنبعثة من الأجهزة الإلكترونية الدقيقة وتصغير أحجامها، يصبح اختيار مشتت حراري مناسب أمرًا بالغ الأهمية، إذ تُصبح إدارة الحرارة عنصرًا حيويًا في تصميم المنتجات الإلكترونية. ترتبط موثوقية التشغيل وعمر الخدمة للأجهزة الإلكترونية ارتباطًا عكسيًا بدرجة حرارة مكوناتها. فعلى سبيل المثال، في حالة أجهزة أشباه الموصلات السيليكونية، يُظهر الارتباط بين موثوقيتها ودرجة حرارة التشغيل أنه كلما انخفضت درجة الحرارة، زادت موثوقية الجهاز وعمره بشكل ملحوظ. لذا، يُمكننا إطالة عمر المكونات وتحسين موثوقيتها من خلال التحكم الفعال في درجة حرارة تشغيلها، والتأكد من بقائها ضمن الحدود التي يحددها مهندسو التصميم. تُستخدم المشتتات الحرارية لتعزيز تبديد الحرارة، حيث تنقل الحرارة من سطح ساخن - عادةً ما يكون الغلاف الخارجي للمكون المُنتج للحرارة - إلى بيئة محيطة أكثر برودة ، ويُعد الهواء الخيار الأمثل في هذه الحالة. سنستخدم الهواء كسائل تبريد في المناقشات التالية. في معظم الحالات، يُعدّ انتقال الحرارة عبر السطح الفاصل بين السطح الصلب وهواء التبريد أقل العمليات كفاءةً في النظام بأكمله، ويُمثّل هذا السطح الفاصل أكبر عائق أمام تبديد الحرارة. يعمل المشتت الحراري على تقليل هذا العائق بشكل أساسي عن طريق زيادة مساحة السطح المُلامس مباشرةً لهواء التبريد. تسمح هذه المساحة الأكبر بحدوث أمرين: إما إطلاق المزيد من الحرارة من النظام، أو خفض درجة حرارة تشغيل الجهاز (وأحيانًا كليهما). والهدف الرئيسي من المشتت الحراري، في نهاية المطاف، هو ضمان بقاء درجة حرارة الجهاز دون الحد الأقصى المسموح به والمحدد من قِبل الشركة المُصنّعة.

الدائرة الحرارية

قبل الخوض في عملية اختيار المشتت الحراري، من الضروري تعريف المصطلحات الشائعة وتوضيح مفهوم الدائرة الحرارية. الهدف هو تقديم أساسيات انتقال الحرارة للقراء غير الملمين بهذا الموضوع. فيما يلي رموز وتعريفات المصطلحات: Q: إجمالي القدرة أو معدل تبديد الحرارة بالواط، ويمثل معدل الحرارة التي يبددها المكون الإلكتروني أثناء التشغيل. ولغرض اختيار المشتت الحراري، يُستخدم الحد الأقصى لتبديد قدرة التشغيل. Tj: أقصى درجة حرارة للوصلة في الجهاز بالدرجة المئوية. تتراوح قيم Tj المسموح بها من 115 درجة مئوية في تطبيقات الإلكترونيات الدقيقة النموذجية إلى 180 درجة مئوية في بعض أجهزة التحكم الإلكترونية. في التطبيقات الخاصة والعسكرية، تتراوح درجات الحرارة عادةً بين 65 و80 درجة مئوية. Tc: درجة حرارة غلاف الجهاز بالدرجة المئوية. بما أن درجة حرارة غلاف الجهاز تعتمد على موقع القياس، فإنها عادةً ما تمثل أقصى درجة حرارة محلية للغلاف. Ts: درجة حرارة المشتت الحراري بالدرجة المئوية. مرة أخرى، يُمثل هذا أعلى درجة حرارة لمشتت حراري في أقرب نقطة من الجهاز. Ta: درجة حرارة الهواء المحيط بالدرجة المئوية. باستخدام درجات الحرارة ومعدل تبديد الحرارة، يمكن التعبير عن مقياس كمي لكفاءة نقل الحرارة عبر موقعين لمكون حراري بدلالة المقاومة الحرارية R، والتي تُعرف على النحو التالي:

R = ΔT/Q

حيث ΔT هو فرق درجة الحرارة بين الموقعين. وحدة المقاومة الحرارية هي °C/W، مما يدل على ارتفاع درجة الحرارة لكل وحدة معدل تبديد حرارة. هذه المقاومة الحرارية مماثلة للمقاومة الكهربائية Re، كما هو موضح في قانون أوم:

Re = ΔV/I

حيث ΔV هو فرق الجهد و I هو التيار.

لنفترض حالة بسيطة حيث يتم تركيب مشتت حراري على غلاف جهاز كما هو موضح في الشكل 1. باستخدام مفهوم المقاومة الحرارية ، يمكن رسم دائرة حرارية مبسطة لهذا النظام، كما هو موضح أيضًا في الشكل. في هذا النموذج المبسط، تتدفق الحرارة بشكل متسلسل من نقطة التوصيل إلى الغلاف، ثم عبر السطح البيني إلى المشتت الحراري، وأخيرًا تُبدد من المشتت الحراري إلى تيار الهواء. تُعرَّف المقاومة الحرارية بين نقطة التوصيل وغلاف الجهاز على النحو التالي:

Rjc = (ΔTjc)/Q = (Tj – Tc)/Q

تُحدد هذه المقاومة من قِبل الشركة المُصنِّعة للجهاز. على الرغم من أن قيمة Rjc لأي جهاز تعتمد على كيفية ومكان استخدام آلية التبريد على العبوة، إلا أنها عادةً ما تُعطى كقيمة ثابتة. ومن المُسلَّم به أيضًا أن Rjc تتجاوز قدرة المستخدم على تعديلها أو التحكم فيها. وبالمثل، تُعرَّف مقاومة العلبة إلى الحوض ومقاومة الحوض إلى المحيط على أنها

Rcs = (ΔTcs)/Q = (Tc – Ts)/Q

Rsa = (ΔTsa)/Q = (Ts – Ta)/Q

على التوالي. هنا، يُمثل Rcs المقاومة الحرارية عبر السطح الفاصل بين الهيكل والمشتت الحراري، ويُطلق عليه غالبًا مقاومة السطح الفاصل. يمكن تحسين هذه القيمة بشكل كبير اعتمادًا على جودة تشطيب سطح التلامس و/أو اختيار مادة السطح الفاصل . أما Rsa فهي المقاومة الحرارية للمشتت الحراري. من الواضح أن المقاومة الكلية من الوصلة إلى المحيط هي مجموع المقاومات الثلاث.

Rja = Rjc + Rcs + Rsa = (Tj – Ta)/Q

المقاومة الحرارية المطلوبة للمشتت الحراري

لبدء اختيار المشتت الحراري، تتمثل الخطوة الأولى في تحديد المقاومة الحرارية للمشتت الحراري اللازمة لتلبية المعايير الحرارية للمكون. بإعادة ترتيب المعادلة السابقة، يمكن الحصول على مقاومة المشتت الحراري بسهولة كما يلي:

Rsa = ((Ts – Ta)/Q) – Rjc – Rcs

في هذه المعادلة، تُحدد قيم Tj وQ وRjc من قِبل مُصنِّع الجهاز، بينما تُحدد قيم Ta وRcs من قِبل المستخدم. تعتمد درجة حرارة الهواء المحيط Ta لتبريد المعدات الإلكترونية على بيئة التشغيل المُتوقع استخدام المُكوِّن فيها. تتراوح عادةً بين 35 و45 درجة مئوية عند استخدام الهواء الخارجي، وبين 50 و60 درجة مئوية إذا كان المُكوِّن مُغلقًا أو موضوعًا في منطقة مُلامسة لمعدات أخرى مُولِّدة للحرارة. تعتمد مقاومة التلامس Rcs على تشطيب السطح، واستوائه، وضغط التركيب المُطبَّق، ومساحة التلامس، وبالطبع، نوع مادة التلامس وسُمكها. يصعب الحصول على قيمة دقيقة لهذه المقاومة، حتى لنوع مُحدد من المواد وسُمك مُعين، نظرًا لاحتمالية اختلافها بشكل كبير مع ضغط التركيب وعوامل أخرى مُرتبطة بالحالة. مع ذلك، يُمكن الحصول على بيانات أكثر موثوقية مُباشرةً من مُصنِّعي المواد أو مُصنِّعي مُشتِّتات الحرارة . القيم النموذجية لمواد التلامس الشائعة مُدرجة في الجدول 1.

بتحديد جميع المعلمات على الجانب الأيمن من تعبير Rsa، تُصبح المقاومة الحرارية القصوى المطلوبة لمشتت الحرارة للتطبيق. بمعنى آخر، يجب أن تكون قيمة المقاومة الحرارية لمشتت الحرارة المختار للتطبيق مساوية أو أقل من قيمة Rsa للحفاظ على درجة حرارة الوصلة عند Tj المحددة أو أقل منها.

اختيار المشتت الحراري

عند اختيار مشتت حراري مناسب يلبي المعايير الحرارية المطلوبة، يجب دراسة العديد من العوامل التي تؤثر ليس فقط على أداء المشتت الحراري نفسه، بل أيضًا على الأداء العام للنظام. يعتمد اختيار نوع معين من المشتتات الحرارية بشكل كبير على الميزانية الحرارية المتاحة له والظروف الخارجية المحيطة به. من المهم التأكيد على أنه لا يمكن تحديد قيمة واحدة للمقاومة الحرارية لمشتت حراري معين، لأن هذه المقاومة تتغير بتغير ظروف التبريد الخارجية. عند اختيار المشتت الحراري، من الضروري تصنيف تدفق الهواء إلى طبيعي، أو مختلط منخفض التدفق، أو قسري عالي التدفق. يحدث الحمل الحراري الطبيعي عندما لا يكون هناك تدفق خارجي، ويعتمد انتقال الحرارة فقط على التدفق الحر للهواء المحيط بالمشتت الحراري. أما الحمل الحراري القسري فيحدث عندما يتم توليد تدفق الهواء بوسائل ميكانيكية، عادةً بواسطة مروحة أو منفاخ. لا يوجد فرق واضح في سرعة التدفق يفصل بين نظامي التدفق المختلط والقسري. من المتعارف عليه عمومًا في التطبيقات أن تأثير قوة الطفو على انتقال الحرارة الكلي يتلاشى إلى مستوى ضئيل (أقل من 5%) عندما تتجاوز سرعة تدفق الهواء المستحث 1.2 متر/ثانية (200 إلى 400 قدم/دقيقة). تتمثل الخطوة التالية في تحديد الحجم المطلوب لمشتت حراري أنبوبي . يوضح الجدول 2 النطاقات التقريبية للمقاومة الحرارية الحجمية لمشتت حراري نموذجي في ظل ظروف تدفق مختلفة.

يمكن حساب حجم مشتت حراري ذي زعانف مشطوفة لظروف منخفضة معينة بقسمة المقاومة الحرارية الحجمية على المقاومة الحرارية المطلوبة. يُستخدم الجدول 2 كدليل إرشادي فقط لأغراض التقدير في بداية عملية الاختيار. قد تختلف قيم المقاومة الفعلية خارج النطاق المذكور أعلاه تبعًا للعديد من العوامل الإضافية، مثل الأبعاد الفعلية للمشتت الحراري، ونوعه، وتكوين التدفق، واتجاهه، وتشطيب سطحه، والارتفاع، وما إلى ذلك. تتوافق القيم الأصغر الموضحة أعلاه مع حجم مشتت حراري يتراوح بين 100 و200 سم³ (5 إلى 10 بوصات³)، بينما تتوافق القيم الأكبر مع حجم يصل إلى 1000 سم³ (60 بوصة³). تفترض النطاقات الموضحة في الجدول أعلاه أن التصميم قد تم تحسينه لظروف تدفق معينة. على الرغم من وجود العديد من العوامل التي يجب مراعاتها عند تحسين المشتت الحراري، إلا أن كثافة الزعانف تُعد من أهمها. في المشتت الحراري ذي الزعانف المستوية، ترتبط المسافة المثلى بين الزعانف ارتباطًا وثيقًا بعاملين: سرعة التدفق وطول الزعانف في اتجاه التدفق. يمكن استخدام الجدول 3 كدليل لتحديد المسافة المثلى بين الزعانف في مشتت حراري ذي زعانف مستوية في تطبيق نموذجي.

يتناسب الأداء المتوسط ​​لمشتت الحرارة النموذجي تناسبًا طرديًا مع عرضه في الاتجاه العمودي على اتجاه التدفق، ويتناسب تقريبًا مع الجذر التربيعي لطول الزعانف في الاتجاه الموازي له. على سبيل المثال، تؤدي زيادة عرض مشتت الحرارة بمقدار الضعف إلى زيادة قدرته على تبديد الحرارة بمقدار الضعف أيضًا، بينما تؤدي زيادة طوله بمقدار 1.4 إلى زيادة قدرته على تبديد الحرارة بمقدار 1.4. لذلك، إذا كان الخيار متاحًا، فمن الأفضل زيادة عرض مشتت الحرارة بدلًا من طوله. كما أن تأثير انتقال الحرارة بالإشعاع بالغ الأهمية في الحمل الحراري الطبيعي، إذ يمكن أن يُسهم بنسبة تصل إلى 25% من إجمالي تبديد الحرارة. ما لم يكن المكون مُلامسًا لسطح ساخن مجاور، فمن الضروري طلاء أو معالجة أسطح مشتت الحرارة الخارجية بالأكسدة لتعزيز الإشعاع.

أنواع المشتتات الحرارية

يمكن تصنيف مشتتات الحرارة حسب طرق تصنيعها وأشكالها النهائية. من أكثر أنواع مشتتات الحرارة المبردة بالهواء شيوعًا:

1. تشكيل مشتتات الحرارة بالختم: تُشكّل صفائح النحاس أو الألومنيوم بالختم إلى الأشكال المطلوبة. تُستخدم هذه المشتتات في التبريد الهوائي التقليدي للمكونات الإلكترونية، وتُعدّ حلاً منخفض التكلفة لمشاكل التبريد في المكونات منخفضة الكثافة. وهي مناسبة للإنتاج بكميات كبيرة، لأن استخدام أدوات متطورة مع سرعة ختم عالية يُقلل التكاليف. يمكن إضافة خيارات أخرى لتوفير العمالة، مثل الصنابير والمشابك ومواد التوصيل، في المصنع للمساعدة في تقليل تكاليف تجميع اللوحات. بعد الختم، يمكن طلاء الزعانف بالنيكل ثم لحامها بلوحة قاعدة مشتت الحرارة. تُعدّ طريقة اللحام هذه فعّالة في تبديد حرارة الرقائق عالية الطاقة في المركبات.

٢. مشتتات الحرارة بالبثق : تسمح هذه المشتتات بتشكيل أشكال ثنائية الأبعاد معقدة قادرة على تبديد أحمال حرارية كبيرة. يمكن قصها وتشكيلها وإضافة خيارات إليها. ينتج عن القطع العرضي مشتتات حرارة متعددة الاتجاهات ذات زعانف مستطيلة، ويؤدي دمج الزعانف المسننة إلى تحسين الأداء بنسبة تتراوح بين ١٠ و٢٠٪ تقريبًا، ولكن بمعدل بثق أبطأ. عادةً ما تحدد حدود البثق، مثل نسبة ارتفاع الزعنفة إلى سمك الفجوة بين الزعانف، مرونة خيارات التصميم. يمكن تحقيق نسبة ارتفاع إلى فجوة نموذجية تصل إلى ٦ وسمك زعنفة أدنى يبلغ ١.٣ مم باستخدام عملية بثق قياسية. يمكن تحقيق نسبة ارتفاع إلى فجوة تبلغ ١٠ إلى ١ وسمك زعنفة يبلغ ٠.٨ بوصة باستخدام ميزات تصميم قالب خاصة. ومع ذلك، مع زيادة نسبة الارتفاع إلى الفجوة، تتأثر دقة البثق.

3. مشتت حراري ذو زعانف ملحومة / زعانف مصنعة: معظم المشتتات الحرارية المبردة بالهواء محدودة بالحمل الحراري، ويمكن تحسين الأداء الحراري العام للمشتت الحراري المبرد بالهواء بشكل ملحوظ بزيادة مساحة السطح المعرضة لتيار الهواء. تستخدم هذه المشتتات الحرارية عالية الأداء مادة إيبوكسية موصلة حراريًا مملوءة بالألومنيوم لربط زعانف مستوية بلوحة قاعدة مبثوقة ذات أخاديد. تتيح هذه العملية نسبة ارتفاع الزعانف إلى الفجوة أكبر بكثير، تتراوح بين 20 و40، مما يزيد بشكل كبير من قدرة التبريد دون زيادة متطلبات الحجم.

٤. الصب : تتوفر عمليات الصب الرملي، والصب بالقوالب المفقودة، والصب بالقوالب، مع أو بدون استخدام الفراغ، في الألومنيوم أو النحاس/البرونز. تُستخدم هذه التقنية في مشتتات الحرارة ذات الزعانف الدبوسية عالية الكثافة، والتي توفر أقصى أداء عند استخدام التبريد بالصدم. تُستخدم مشتتات الحرارة المنتجة بهذه العملية عادةً كأغلفة في صناعة الاتصالات. فهي تُبدد الحرارة عبر مساحة سطح كبيرة، وتُستخدم كمكونات هيكلية وجمالية، بالإضافة إلى كونها أجهزة لتبديد الحرارة، مع انخفاض تكاليف الإنتاج.

5. مشتت حراري ذو زعانف مشطوفة : المشتت الحراري ذو الزعانف المشطوفة هو عنصر عالي الكفاءة لإدارة الحرارة، مصنوع بتقنية "التشذيب" الدقيقة، حيث تُقطع الزعانف الرقيقة والمتقاربة وتُشكّل مباشرةً من كتلة معدنية صلبة (غالبًا من الألومنيوم أو النحاس) دون وصلات. يقلل هذا الهيكل الموحد من المقاومة الحرارية بين القاعدة والزعانف، مما يُتيح نقل الحرارة بسرعة إلى الهواء. كما تُعزز مصفوفات الزعانف الكثيفة والمتجانسة مساحة السطح لتبديد الحرارة، مما يجعله مثاليًا لتبريد الإلكترونيات الدقيقة عالية الطاقة مثل وحدات المعالجة المركزية أو وحدات LED، حيث يُعدّ كل من المساحة والأداء الحراري عاملين حاسمين.

5. مشتت حراري ذو أنابيب حرارية : يُعدّ المشتت الحراري ذو الأنابيب الحرارية حلاً متطوراً لإدارة الحرارة، حيث يدمج أنابيب حرارية - وهي أنابيب مجوفة محكمة الإغلاق مملوءة بسائل متغير الطور (مثل الماء أو الإيثانول) - في هيكل تقليدي مزود بزعانف. ويعمل هذا المشتت على مبدأ تغير الطور: يمتص السائل الحرارة ويتبخر عند مصدر الحرارة (مثل وحدة المعالجة المركزية)، ثم ينتقل إلى الجزء الأبرد من الزعانف ليتكثف ويطلق الحرارة، ثم يعود عبر الخاصية الشعرية ليكرر الدورة. تُمكّن هذه الآلية من نقل الحرارة بسرعة أكبر بكثير عبر مسافات أطول مقارنةً بالمعدن الصلب، مما يجعل المشتت الحراري فعالاً للغاية في تبريد الإلكترونيات عالية الطاقة التي تتطلب تبديداً سريعاً وبعيد المدى للحرارة، كما هو الحال في أجهزة الكمبيوتر المخصصة للألعاب، ووحدات التحكم الصناعية، وأنظمة إضاءة LED.

يوضح الشكل 2 النطاق النموذجي لدوال التكلفة لأنواع مختلفة من مشعات الحرارة من حيث المقاومة الحرارية المطلوبة. الشكل 2: التكلفة مقابل المقاومة الحرارية المطلوبة

الرسم البياني للأداء الحراري

يوضح الشكل 3 رسمًا بيانيًا للأداء، وهو رسم نموذجي لتلك التي ينشرها موردو المشتتات الحرارية. يتكون الرسمان البيانيان من منحنيين منفصلين تم دمجهما في شكل واحد. يُفترض أن الجهاز المراد تبريده مُركب بشكل صحيح، وأن المشتت الحراري في وضع التركيب المُعتاد بالنسبة لاتجاه تدفق الهواء. يُمثل الرسم البياني الأول، الممتد من أسفل اليسار إلى أعلى اليمين، منحنى الحمل الحراري الطبيعي لارتفاع درجة حرارة المشتت الحراري، ΔTsa، مقابل Q. كما تفترض منحنيات الحمل الحراري الطبيعي أن المشتت الحراري مطلي أو مؤكسد باللون الأسود. يمثل المنحنى من أعلى اليسار إلى أسفل اليمين منحنى الحمل الحراري القسري للمقاومة الحرارية مقابل سرعة الهواء. في الحمل الحراري القسري، تتناسب ΔTsa خطيًا مع Q، وبالتالي فإن Rsa لا تعتمد على Q وتصبح دالة فقط لسرعة التدفق. ومع ذلك، فإن ظاهرة الحمل الحراري الطبيعي غير خطية، مما يجعل من الضروري تقديم ΔTsa كدالة لـ Q.

يمكن استخدام الرسوم البيانية للأداء لتحديد المشتت الحراري، وفي تطبيقات الحمل الحراري القسري، لتحديد أدنى سرعة تدفق تلبي المتطلبات الحرارية. على سبيل المثال، إذا كانت المقاومة الحرارية المطلوبة في تطبيق الحمل الحراري القسري 8 درجات مئوية/واط، فإن منحنى المقاومة الحرارية مقابل سرعة التدفق المذكور أعلاه يشير إلى أن السرعة يجب أن تكون 2.4 متر/ثانية (470 قدم مكعب/متر مكعب) أو أكبر. في تطبيقات الحمل الحراري الطبيعي، يمكن ضرب المقاومة الحرارية المطلوبة Rsa في Q للحصول على أقصى قيمة مسموح بها لـ ΔTsa. يجب أن تكون درجة حرارة المشتت الحراري المختار مساوية أو أقل من أقصى قيمة مسموح بها لـ ΔTsa عند نفس Q.

يُذكَّر القراء بأن منحنيات الحمل الحراري الطبيعي تفترض اتجاهًا اختياريًا للمشتت الحراري بالنسبة للجاذبية. كما أن سرعة التدفق في الرسم البياني للحمل الحراري القسري تمثل سرعة التدفق عند الاقتراب دون مراعاة تأثير تجاوز التدفق. كان هناك عدد محدود من التحقيقات2،3 حول موضوع تجاوز التدفق. تُظهر هذه الدراسات أن تجاوز التدفق قد يقلل من أداء المشتت الحراري بنسبة تصل إلى 50% لنفس سرعة التدفق العكسي. لمزيد من الاستشارة حول هذا الموضوع، يُرجى من القراء الرجوع إلى المراجع المذكورة. عندما يكون الجهاز أصغر بكثير من اللوحة الأساسية للمشتت الحراري، توجد مقاومة حرارية إضافية، تُسمى مقاومة الانتشار، والتي يجب أخذها في الاعتبار في عملية الاختيار. تفترض الرسوم البيانية للأداء عمومًا أن الحرارة موزعة بالتساوي على كامل مساحة قاعدة المشتت الحراري، وبالتالي، لا تأخذ في الاعتبار ارتفاع درجة الحرارة الإضافي الناتج عن مصدر حرارة أصغر. يمكن أن تتراوح مقاومة الانتشار هذه عادةً بين 5 و30% من إجمالي مقاومة المشتت الحراري، ويمكن تقديرها باستخدام التعبير التحليلي البسيط المُطور في المرجع 4. معيار تصميم آخر يجب مراعاته عند اختيار المشتت الحراري هو تأثير الارتفاع. فبينما يتم التحكم في درجة حرارة الهواء في البيئة الداخلية عادةً ولا تتأثر بتغير الارتفاع، فإن ضغط الهواء الداخلي يتغير مع الارتفاع. ونظرًا لأن العديد من الأنظمة الإلكترونية مثبتة على ارتفاع مرتفع، فمن الضروري تخفيض تصنيف أداء المشتت الحراري بشكل أساسي بسبب انخفاض كثافة الهواء الناتج عن انخفاض ضغط الهواء على ارتفاعات أعلى. يوضح الجدول 5 عوامل تخفيض تصنيف الأداء للمشتتات الحرارية النموذجية على ارتفاعات عالية. فعلى سبيل المثال، لتحديد الأداء الحراري الفعلي للمشتت الحراري على ارتفاعات غير مستوى الختم، يجب قسمة قيم المقاومة الحرارية المُستقاة من الرسوم البيانية للأداء على عامل تخفيض التصنيف قبل مقارنة القيم بالمقاومة الحرارية المطلوبة.