يُعدّ المشتت الحراري أحد أهم المكونات الأساسية المستخدمة لتبريد الأجهزة الإلكترونية. فعندما يعجز مصدر الحرارة عن تبديد الحرارة بكفاءة من خلال التوصيل الحراري الخاص به، ويحتاج إلى تبريد أكثر فعالية، يُستخدم المشتت الحراري لنقل الحرارة بعيدًا عن المصدر وتبديدها من خلال التوصيل الحراري والحمل الحراري الأمثلين.

تُستخدم مشتتات الحرارة على نطاق واسع في إلكترونيات الطاقة، ومعدات الاتصالات، والخوادم، وإضاءة LED، وإلكترونيات السيارات، والأجهزة الصناعية.

البنية الأساسية لمشتت الحرارة

يتكون المشتت الحراري النموذجي بشكل أساسي من جزأين:

• قاعدة

• حتى

القاعدة عادةً ما تكون سطحًا مستويًا يتصل مباشرة بمصدر الحرارة. وظيفتها هي نقل الحرارة من البقعة الساخنة وتوزيعها بالتساوي عبر الزعانف.

صُممت الزعانف لزيادة المساحة السطحية الإجمالية للمشتت الحراري. ويمكن تصنيعها بأشكال هندسية متنوعة، وعادةً ما توضع عموديًا من القاعدة لتحقيق أقصى قدر من تبديد الحرارة.

يتمثل الهدف الأساسي لتصميم المشتت الحراري في زيادة مساحة السطح إلى أقصى حد، مما يسمح بنقل المزيد من الحرارة إلى الهواء المحيط.

مواد مشتتات الحرارة

باستثناءات قليلة جداً، تُصنع مشتتات الحرارة من معادن موصلة حرارياً، وأكثرها شيوعاً الألومنيوم أو النحاس.

الألومنيوم

يُعد الألومنيوم أكثر المواد استخدامًا في صناعة مشتتات الحرارة.

• الموصلية الحرارية: 235 واط/م.ك

• خفيف الوزن

• فعال من حيث التكلفة

• سهل التصنيع

هذه الخصائص تجعل الألومنيوم مثالياً لحلول المشتتات الحرارية خفيفة الوزن والاقتصادية.

نحاس

يُعد النحاس مادة شائعة أخرى في صناعة مشتتات الحرارة.

• الموصلية الحرارية: ~400 واط/متر.كلفن

• قدرة أعلى على نقل الحرارة

على الرغم من أن النحاس أثقل وأكثر تكلفة، إلا أنه غالباً ما يكون مطلوباً في التطبيقات الحرارية عالية الأداء.

الحمل الحراري الطبيعي مقابل الحمل الحراري القسري

تُصنف مشتتات الحرارة عادةً إلى فئتين بناءً على ظروف تدفق الهواء.

الحمل الحراري الطبيعي (التبريد السلبي)

تعتمد المشتتات الحرارية السلبية كلياً على تدفق الهواء الطبيعي لإزالة الحرارة.

وهي مصممة من أجل:

• زيادة مساحة السطح إلى أقصى حد

• السماح للهواء بالدوران بشكل طبيعي

• يعمل بدون مكونات نشطة إضافية

تُستخدم المشتتات الحرارية السلبية بشكل شائع في الأجهزة الإلكترونية منخفضة الطاقة.

التبريد بالحمل القسري (التبريد النشط)

تستخدم المشتتات الحرارية النشطة مراوح أو منفاخات لدفع الهواء عبر الزعانف.

يؤدي تدفق الهواء القسري هذا إلى حدوث اضطراب، مما يزيد بشكل كبير من كفاءة نقل الحرارة وأداء التبريد.

تُستخدم حلول التبريد النشطة على نطاق واسع في:

• الخوادم

• إلكترونيات الطاقة

• أنظمة الحوسبة عالية الأداء

أنواع مشتتات الحرارة الشائعة

تُستخدم العديد من تقنيات التصنيع لإنتاج مشتتات الحرارة، كل منها مناسب لمتطلبات وتطبيقات حرارية مختلفة.

1. مشتتات حرارية مختومة (على مستوى اللوحة)

تُصنع مشتتات الحرارة المختومة من صفائح معدنية باستخدام عمليات ختم متدرجة. تضيف كل خطوة من خطوات الختم ميزات وتفاصيل أثناء مرور المعدن عبر القالب.

تم تصميم هذه المشتتات الحرارية عادةً لأنواع محددة من العبوات الإلكترونية لضمان الملاءمة المثلى على لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs).

قد تعمل هذه الأجهزة في وضع سلبي أو قد تتضمن مروحة لزيادة تدفق الهواء عبر اللوحة.

المزايا

• مثالي للتطبيقات منخفضة الطاقة (0-5 واط)

• تجميع سريع وسهل

• تكلفة تصنيع منخفضة

• قابل للتوسع للإنتاج بكميات كبيرة

• متوفر للعديد من أنواع الحزم

العيوب

• غير مناسب للاستخدامات التي تزيد عن 5 واط

• الحجم محدود (عادةً أقل من 50 مم)

• مصمم لتبريد جهاز واحد فقط

2. مشتتات حرارية من الألومنيوم المبثوق

تُعد عملية البثق واحدة من أكثر طرق تصنيع مشتتات الحرارة شيوعاً وفعالية من حيث التكلفة.

تختلف أحجام مشتتات الحرارة المصنعة بالبثق حسب التطبيق. تُستخدم الإصدارات الأصغر لتبريد مستوى اللوحة، بينما صُممت الإصدارات الأكبر لإدارة الحرارة متوسطة الطاقة.

يمكن تحسينها للتبريد السلبي والفعال على حد سواء، وذلك اعتمادًا على هندسة الزعانف والمسافة بينها.

تُستخدم مشتتات الحرارة المبثوقة على مستوى اللوحة بشكل شائع للمكونات مثل:

• bga

• FPGA

تبدأ عملية البثق بقالب تشكيل يحدد بنية الزعانف والمسافات بينها وأبعاد القاعدة. ثم يُدفع الألومنيوم المسخن عبر القالب لإنشاء مقطع جانبي طويل، والذي يُقطع لاحقًا إلى الطول المطلوب ويُعالج بشكل إضافي.

المزايا

• مثالي لتطبيقات الطاقة المتوسطة

• إنتاج فعال من حيث التكلفة

• قابل للتوسع بدرجة كبيرة للإنتاج الضخم

• تخصيص سهل

• تصميم من قطعة واحدة بمقاومة حرارية منخفضة

العيوب

• غير مناسب للتطبيقات ذات الطاقة العالية جدًا

• قيود الحجم (حوالي 23 بوصة عرضًا و 47 بوصة طولًا)

• قد تواجه المقاطع الكبيرة قيودًا في التشطيب.

3. مشتتات حرارية ذات زعانف مشذبة

عملية التشكيل بالتقشير هي عملية تصنيع تشكل الزعانف مباشرة من كتلة معدنية صلبة. يتم تقطيع طبقات رقيقة من القاعدة وطيها لأعلى لإنشاء الزعانف.

لأن الزعانف والقاعدة مصنوعة من نفس قطعة المادة، فلا توجد وصلات أو فواصل، مما يقلل من المقاومة الحرارية.

تسمح هذه العملية أيضًا بزعانف رقيقة جدًا وكثافة زعانف عالية، مما يزيد بشكل كبير من مساحة السطح الإجمالية.

بخلاف عملية البثق، لا تتطلب عملية التشكيل بالتقشير أدوات مخصصة، مما يقلل من تكاليف الأدوات ويسمح بنماذج أولية أسرع.

المزايا

• كفاءة تبريد عالية

• زعانف رفيعة وكثافة زعانف عالية

• انخفاض تكاليف الأدوات

• اقتصادي لمشتتات الحرارة النحاسية

العيوب

• غير مناسب للتطبيقات ذات الطاقة العالية للغاية

• قيود الحجم

• قد تكون الزعانف الرقيقة أكثر هشاشة

• أقل ملاءمة لأحجام الإنتاج الكبيرة جدًا

4. مشتتات حرارية ذات زعانف ملحومة ومشتتات حرارية ذات زعانف ملحومة

تتكون مشتتات الحرارة ذات الزعانف الملحومة من عنصرين رئيسيين:

• قاعدة (مبثوقة أو مصنعة آلياً)

• زعانف فردية مثبتة باستخدام مادة لاصقة موصلة حرارياً أو إيبوكسي أو لحام

عادة ما يتم تشكيل الزعانف من صفائح معدنية رقيقة، بينما يمكن بثق القاعدة أو صبها أو تشكيلها آلياً.

يمكن أيضًا دمج تقنيات حرارية إضافية مثل الأنابيب الحرارية أو غرف البخار في القاعدة لتحسين الأداء.

توفر مشتتات الحرارة ذات الزعانف الملتصقة مرونة أكبر في التصميم وتسمح بكثافة زعانف أعلى ضمن مساحة أصغر.

المزايا

• تصميم صغير الحجم للتطبيقات ذات المساحة المحدودة

• أداء حراري عالي

• مناسب للتهوية القسرية

• تباعد ضيق بين الزعانف

• نسب أبعاد الزعانف العالية

• تكامل التصميم المرن

• انخفاض تكاليف الأدوات

العيوب

• غير مناسب للبيئات ذات الاهتزازات العالية

• غير مناسب عندما تكون المقاومة الحرارية المطلوبة أقل من 0.01 درجة مئوية/واط

5. مشتتات حرارية ذات زعانف قابلة للسحب

زعانف السحاب مصنوعة من سلسلة من زعانف الصفائح المعدنية المختومة بشكل فردي والتي يتم طيها وربطها معًا.

يمكن ترتيب هذه الزعانف على النحو التالي:

• قنوات مغلقة لتوجيه تدفق الهواء

• تكوينات مفتوحة لتدفق الهواء متعدد الاتجاهات

عادة ما يتم تثبيت مجموعة الزعانف على قاعدة المشتت الحراري أو الأنابيب الحرارية من خلال اللحام أو اللحام بالنحاس أو الربط بالإيبوكسي.

يوفر هذا التصميم استقرارًا ميكانيكيًا ممتازًا ومرونة عالية للحلول الحرارية المتكاملة.

المزايا

• أداء حراري عالي

• مثالي لتطبيقات تدفق الهواء القسري

• تكامل التصميم المرن

• انخفاض تكلفة الأدوات

• خفيف الوزن

• يمكن أن يؤدي ذلك إلى تحسين كفاءة أنابيب الحرارة

• استقرار ميكانيكي معزز

العيوب

• بعض القيود المتعلقة بمتطلبات المقاومة الحرارية المنخفضة للغاية

6. مشتتات حرارية ذات زعانف مطوية

يتم صنع الزعانف المطوية عن طريق ثني صفائح معدنية رقيقة إلى أشكال معقدة لزيادة مساحة السطح.

تُثبّت هذه الزعانف عادةً على قاعدة عن طريق اللصق أو اللحام لتشكيل مجموعة المشتت الحراري النهائية. كما يمكن استخدام تقنية الزعانف المطوية في حلول الألواح الباردة السائلة.

المزايا

• زيادة مساحة السطح

• كفاءة عالية للزعانف

• متوافق مع مواد متعددة

• هيكل خفيف الوزن

العيوب

• يكون الأداء في أفضل حالاته عندما يتم توجيه تدفق الهواء مباشرة عبر الزعانف

• ارتفاع تكاليف الإنتاج في بعض الحالات

7. مشتتات حرارية مصبوبة

يتم إنتاج مشتتات الحرارة المصبوبة كهياكل من قطعة واحدة باستخدام المعدن المنصهر الذي يتم حقنه في قوالب مخصصة.

تُعد طريقة التصنيع هذه مثالية للإنتاج بكميات كبيرة وتسمح بتكوين أشكال هندسية معقدة يصعب تحقيقها من خلال عمليات أخرى.

بعد عملية الصب، لا يتطلب الأمر سوى الحد الأدنى من عمليات التشغيل والتشطيب للوصول إلى المنتج النهائي.

المزايا

• مثالي للإنتاج بكميات كبيرة

• مناسب للأشكال المعقدة

• مقاومة حرارية منخفضة أو شبه معدومة

العيوب

• تكاليف أولية مرتفعة للأدوات والقوالب