هیت سینک چیست

هیت سینک چیست؟

هیت سینک در حقیقت مبدل حرارتی است که گرما را منتقل می کند، هیت سینک معمولا یک قطعه فلزی است که می تواند به منبعی که انرژی گرمایی آزاد می کند متصل شود با این هدف که حرارت تولید شده در منبع را به سیال اطراف هیت سینک  منتقل نموده و از گرمای بیش از حد دستگاه جلوگیری کند.

در بسیاری از موارد، منبع تولید حرارت یک قطعه الکترونیکی است (به عنوان مثال CPU ، GPU ، ASIC ،  FET و غیره) که سیال اطراف آنها هوا است و قطعه ازطریق هدایت، گرما را به هیت سینک منتقل می کند.  مکانیسم اصلی انتقال حرارت از هیت سینک، انتقال همرفت است، اگرچه تابش نیز در انتقال حرارت تأثیر جزئی دارد.

دو نوع همرفت مجزا وجود دارد:

1– همرفت طبیعی  یا همرفت آزاد :به دلیل اختلاف دما اتفاق می‌افتد که این اختلاف دما بر روی چگالی و در نتیجه شناوری نسبی یک سیال تأثیر می‌گذارد. قسمت‌های سنگین‌تر (چگال‌تر) به پایین رفته و قسمت‌های سبک تر به بالا حرکت خواهند کرد، که باعث حرکت توده‌ای مولکول‌ها خواهد شد. در نتیجه همرفت طبیعی فقط می‌تواند در یک میدان گرانشی اتفاق بیفتد.

      2– همرفت اجباری – یا همرفت واداشته: حرکت سیال ناشی از عوامل خارجی از قبیل پمپ یا فن است. از همرفت واداشته برای افزایش نرخ انتقال حرارت استفاده می‌شود. در بسیاری ازمیکسرها از همرفت واداشته برای توزیع یک ماده در ماده‌ای دیگر استفاده می‌شود.

سوال بعدی این است که چرا از هیت سینک استفاده می شود؟

هیت سینک ها به منظور افزایش چشمگیر سطح تماس بین منبع حرارتی و سیال پیرامون آن طراحی شده اند و از طریق افزایش سطح تماس، زمان و نرم انتقال حرارت را افزایش می دهند. بعنوان مثال یک چیپ ست نظیر ASIC معمولی ممکن است مساحتی حدود 1600 میلیمتر مربع برای تماس با هوا داشته باشد. این در حالی است که سطح یک هیت سینک معمولی که برای خنک کردن ASIC استفاده می شود ممکن است 10 یا 20 برابر این مقدار باشد.

برای هیت سینک طرح های زیادی وجود دارد، اما به طور معمول هیت سینک از یک پایه که BASE  کار است و تعدادی برآمدگی یا پره متصل به این پایه تشکیل می شود.  پایه رابط انتقال حرارت از منبع تولید حرارت به پره ها است.

برجستگی یا پره می تواند اشکال مختلفی داشته باشد، از جمله:

1 – مدل صفحه و پره یک تکه

2 – هیت سینک مسی پین گرد

3- پره های بیضوی یا شیارشده

4 – پره های مونتاژی بلند (پایه و پره بصورت جدا تولید و سپس مونتاژ می شوند)

ماده مناسب برای ساخت هیت سینک چیست؟

هیت سینک ها معمولاً از مس یا آلومینیوم ساخته می شوند.  مس از رسانایی حرارتی بسیار بالایی برخوردار است، به این معنی که میزان انتقال حرارت از طریق هیت سینک های مسی بسیار بالا است. میزان انتقال حرارت در آلومینیوم پایین تر از مس است، اما هدایت حرارتی آلومینیوم هنوز هم بالاست و مزایای اصلی استفاده از آلومینیوم مربوط به وزن و هزینه پایین آلومینیوم نسبت به مس می باشد و این امر استفاده از آلومینیوم را برای کاربردهایی که وزن مهمترین دغدغه است، مفید می سازد.

عملکرد هیت سینک :

عملکرد هیت سینک نتیجه بسیاری از پارامترها می باشد از جمله :

– شکل هندسی هیت سینک

– جنس یا متریال هیت سینک
– میزان سطح تماس با سیال
– سرعت باد یا سیال عبوری از مجاورت هیت سینک

– میزان رابطه با منبع حرارتی (سطح تماس بین هیت سینک و منبع حرارتی)

از بین این موارد، مورد آخر بسیار مهم است.

تلاش می شود که قطعات الکترونیکی و پایه یا Base هیت سینک ها بسیار صاف ساخته شوند، ولی باز هم در سطح میکروسکوپی سطوح آنها خشن است و  این امر موجب می شود که سطح منبع حرارتی و هیت سینک بصورت تماسها و عدم تماسهای میکروسکوپی با هم در ارتباط قرار گیرند و شکافهایی میکروسکوپی مملو از هوا بین منبع حرارتی و هیت سینک ایجاد شود. در این شرایط با توجه به اینکه هوا هدایت حرارتی کمی دارد، هدایت گرما از منبع به هیت سینک ضعیف می شود.  برای جلوگیری از این امر می توان از یک ماده رابط حرارتی (TIM)  و یا خمیر سیلیکون برای پر کردن این شکاف ها استفاده کرد و باعث ایجاد مسیرهای انتقال بیشتر بین منبع حرارتی و هیت سینک شد.

شکاف هوا بین منبع حرارتی و هیت سینک بر مسیر هدایت اثر منفی می گذارد.

• در دو تصویر بالا مشخص می شود که مواد رابط حرارتی (TIM) یا خمیر سیلیکون که شکاف های هوا را پر می کند، به طور قابل توجهی مسیر هدایت را بهبود می بخشد.

عملکرد هیت سینک با مقاومت حرارتی آن مشخص می شود. این پارامتر را می توان به عنوان اختلاف دمای هوای اطراف هیت سینک با سطح منبع حرارتی که در تماس با هیت سینک است تصور کرد. مقاومت حرارتی با نماد θ مشخص شده و واحد آن درجه سانتیگراد بر وات C/ W است.

روش های تولید  HEAT SINK

هیت سینک بسته به عملکرد ، هزینه و حجم مورد نیاز می تواند به روش های مختلفی تولید شود.

شامل:

Machining یا ماشینکاری:  در این روش از ماشین آلات CNC برای شکل دادن به بلوک های مختلف فلز و ساخت هیت سینک استفاده می شود. که این روش هزینه بر می باشد.
اکستروژن یا اکسترود: متداول ترین روش تولید هیت سینک می باشد. (در مجموعه هیتالوم از روش اکسترود و ماشینکاری برای تولید هیت سینک استفاده می شود.))
Stamping ( مشابه روش پرس کاری): در این روش پره فلزی بریده شده است و سپس بر روی پایه یا بیس هیت سینک لحیم یا پرس می شود (روش تولید هیت سینک های کد HS145, HS163 HS169  مجموعه هیتالوم ترکیبی از روش های قبل و این روش می باشد)

در مجموعه هیتالوم از تمام متدهای تولید هیت سینک که عنوان شد، استفاده می شود. لذا می توانیم رویکرد بی طرفانه ای را در پیشنهاد هیت سینک هایی موجود به مصرف کننده داشته باشیم.

ترجمه و ویرایش

محمدرضا رضایی – مسعود غیاثی فر

1403