Tại sao tản nhiệt cách điện rất hiếm? Có phải chỉ là chi phí?

Chỉnh sửa: Có vẻ như câu hỏi ban đầu của tôi (Tại sao không có tản nhiệt cách điện?) Dựa trên một tiền đề sai, và trên thực tế có các tản nhiệt cách điện - tôi chỉ không thể tìm thấy chúng bằng một tìm kiếm khó hiểu. Vì vậy, thay vào đó, tôi thay đổi điều này để hỏi về sự hiếm có của chúng thay vào đó.

Tản nhiệt dường như hầu như được làm bằng nhôm, đồng hoặc một số kết hợp của chúng. Điều này thật ý nghĩa; nhôm và đồng dễ gia công và có tính dẫn nhiệt cao. Nhưng kim cương có một trong những độ dẫn nhiệt cao nhất của bất kỳ chất nào được biết đến - tất nhiên, rõ ràng là kim cương loại phù hợp để sử dụng làm tản nhiệt sẽ cực kỳ tốn kém để nói rằng, vì nó có lẽ phải là một loại duy nhất tinh thể chất lượng đá quý, nhưng sẽ không thể sử dụng, ví dụ, nitrat boron khối, có độ dẫn nhiệt tương tự?

Và đúng vậy, những khó khăn trong quá trình sản xuất một tinh thể c-BN lớn có lẽ sẽ giống như tạo ra một viên kim cương đơn lớn, nhưng tôi hy vọng giá cuối cùng sẽ không nhiều vì không có nhóm De Beers nào đến sau khi bạn cho boron nitride. Và chắc chắn có những hợp chất phi kim loại khác có tính dẫn nhiệt tốt, và một số trong số chúng có lẽ sẽ phù hợp hơn để sản xuất. Tôi nghi ngờ họ thậm chí có thể tiếp cận mức giá của nhôm ép đùn, nhưng đôi khi bạn cần hiệu suất cao hơn.

Vì vậy, tóm lại, câu hỏi của tôi là: Có phải chi phí chỉ khiến các tản nhiệt phi kim trở nên rất hiếm, hoặc có một số nhược điểm khác khiến chúng ít được mong muốn hơn bên ngoài các ứng dụng bí truyền nhất?

Một điều mà các câu trả lời khác dường như không được đề cập là bạn chỉ cần một lớp cách điện rất mỏng (ở điện áp khiêm tốn) trong khi phần tản nhiệt của tản nhiệt hoạt động tốt nhất nếu nó dày. Vì vậy, sẽ hiệu quả hơn khi sử dụng một hàng rào cách điện mỏng, sau đó là một tản nhiệt kim loại dày, rẻ tiền và dễ chế tạo hơn là sử dụng một miếng vật liệu dẫn nhiệt và cách điện. Một số ít vật liệu tồn tại (như kim cương) không thể được ép đùn hoặc dễ dàng tạo thành hình dạng tản nhiệt. Một số có thể được thiêu kết nhưng thiêu kết thường không thể đạt được độ dẫn nhiệt của vật liệu khối. Hiệu quả kỹ thuật của tất cả các khoa học vật liệu này là chúng ta sẽ làm những gì chúng ta luôn làm.

Một yếu tố khác là chính sách chứng khoán: bằng cách dự trữ các tản nhiệt mạnh mẽ cồng kềnh và một số lượng nhỏ hơn (vì chúng không phải lúc nào cũng được yêu cầu) các miếng đệm cách điện nhỏ tinh tế, cổ phiếu của bạn chiếm ít không gian lưu trữ và vốn hơn so với khi bạn dự trữ hai loại tản nhiệt cồng kềnh. Chi phí và hiệu suất đều tốt hơn nếu không có chất cách điện khi không cần thiết.

Đây không phải là một vấn đề mới; những người trong chúng ta ở một độ tuổi nhất định nhớ các tản nhiệt với chất cách điện mica cho các gói TO-220 và TO-3.

Vấn đề (tại thời điểm đó) là cả chi phí vật chất và tính sẵn có và khoa học vật liệu. Chúng tôi đã đi một chặng đường dài trong sự hiểu biết của chúng tôi về tính dẫn nhiệt của các hợp chất khác nhau trong những năm qua, nhưng nó vẫn còn tương đối công nghệ mới (có những thứ như miếng đệm dẫn nhiệt đã tồn tại trong nhiều thập kỷ nhưng không thực sự là tản nhiệt đúng).

TO-220 có bộ tản nhiệt trên bộ thu / xả của thiết bị, thường ở điện áp cao, do đó, sự sắp xếp điển hình đã sử dụng kỹ thuật này:

Nguồn .

Nó không phải là bất thường để sử dụng một số dán nhiệt để tối đa hóa truyền nhiệt.

Bây giờ điều đó không thực sự giải thích sự hiếm có tương đối của các tản nhiệt cách điện tích hợp; điều đó thực sự bắt nguồn từ 'nó là cần thiết' hoặc tôi chỉ có thể sử dụng phương pháp nổi tiếng của tản nhiệt và vật liệu rào cản cách điện mà ít tốn kém hơn (ít nhất là ngày nay).

Phương pháp cũ đã thử và đúng đã phục vụ tốt trong nhiều thập kỷ, nhưng đối với một số ứng dụng (đặc biệt là các ứng dụng trong các thiết bị nhỏ), một giải pháp như vậy có thể không phù hợp.

Có khá nhiều dịch vụ có sẵn , nhưng chúng có xu hướng đắt hơn một chút (trên cơ sở mỗi watt). Ngoài ra còn có rất nhiều nghiên cứu về các vật liệu khác .

Tất nhiên, đối với yếu tố bling, bạn có thể sử dụng những yếu tố này .

Vì vậy, nó đi xuống một số điều và chi phí là một trình điều khiển chính. Tôi cũng sẽ lưu ý rằng một thị trường lớn cho các bộ tản nhiệt là dành cho CPU và GPU trong đó trường hợp của IC được cách điện bằng mọi cách.

Tản nhiệt polymer xứng đáng được đề cập. Tản nhiệt polymer không phải là hiếm. Tôi tình cờ gặp các loại tản nhiệt polymer công nghiệp, ô tô, hàng ngày một lần. Chúng thường khó nhận ra là tản nhiệt, bởi vì chúng có thể có mục đích cơ học thứ hai (vỏ bọc, giá đỡ, gương phản chiếu của đèn). Những bộ tản nhiệt này luôn là các bộ phận đúc tùy chỉnh.

Polyme có độ dẫn nhiệt nhỏ, so với bất kỳ kim loại nào. Điều này đặt ra một câu hỏi: làm thế nào một polymer có thể tạo ra một tản nhiệt chấp nhận được? Trong một số trường hợp, điện trở nhiệt của tản nhiệt trở nên bị chi phối khi chuyển từ tản nhiệt sang không khí, thay vì dẫn trong chính tản nhiệt. Điều này có thể xảy ra khi thải nhiệt vào không khí với sự đối lưu tự nhiên. Trong những trường hợp này, một bộ tản nhiệt làm bằng một loại polymer đặc biệt có độ dẫn nhiệt tương đối cao ($\mathrm{20 \frac {W} {m\cdot K} }$ ) có thể so sánh với nhôm $\mathrm{200 \frac {W} {m\cdot K} }$ ) tản nhiệt với hình dạng tương tự.

E2 là nhựa ( nguồn )

Một số thảo luận bổ sung trong câu trả lời cũ này .

Vấn đề của tản nhiệt là chỉ thực sự có hai cách để xử lý nhiệt, dẫn nhiệt và bức xạ.

Vì vậy, cuối cùng, giả sử độ phát xạ của bạn gần bằng 1 (Chỉ thực sự quan trọng nếu bạn có thể chạy NÓNG, tổn thất năng lượng đối với bức xạ là năng lượng thứ 4 của nhiệt độ tuyệt đối) và bạn có thể làm cho vật tiếp xúc nhiệt tốt với môi trường làm mát xung quanh (Không khí , nước, bất cứ điều gì), những gì bạn tạo ra chỉ từ một vấn đề nhỏ (Giao diện đó là kẻ giết chết hiệu suất, không phải là tính dẫn nhiệt số lượng lớn của tản nhiệt).

Bây giờ rõ ràng bạn cần thiết kế tản nhiệt để nhiệt truyền qua nó một cách hợp lý hiệu quả và trong khu vực có nhiều mật độ dòng điện có thể tranh cãi với một thứ khác sau đó là đồng minh, cho phần lớn thứ mà bạn có nhiều kim loại để giữ delta T thấp, rẻ nhất là tốt nhất.

Đối với máy tản nhiệt hoặc máy giặt cách nhiệt thì tất nhiên, khác với máy tản nhiệt theo định nghĩa được sử dụng khi mật độ từ thông rất cao và khả năng chịu nhiệt tối thiểu là một điều rất tốt, do đó việc sử dụng đồng thường xuyên trong vai trò này.

Đối với chất cách điện, bạn có thấy các vật liệu kỳ lạ được sử dụng, bởi vì một chất dẫn nhiệt tốt cũng là chất cách điện không phổ biến, vì vậy Boron Nitride, Alumina, Beryllium Oxide (!) Và giống như tất cả đều thấy dịch vụ ở đây, và tôi sẽ không bị sốc bởi ai đó sử dụng kim cương (Có lẽ trong một số thiết bị RF kỳ lạ).

Từ quan điểm kỹ thuật, chắc chắn có thể sản xuất tản nhiệt với các miếng đệm cách ly. Lý do họ không làm điều đó là kinh tế.

Giữa các lựa chọn cơ, điện và nhiệt khác nhau, có rất nhiều sự kết hợp khác nhau. Nếu bộ cách ly và tản nhiệt là một phần thì các nhà cung cấp sẽ phải dự trữ nhiều số phần độc đáo hơn.

Bằng cách bao gồm bộ cách ly và tản nhiệt thành các sản phẩm độc đáo, người dùng có nhiều sự lựa chọn hơn.

Dưới đây là một số điều cần xem xét.

1) Trong nhiều trường hợp, người dùng sẽ sử dụng các khoảng cách giữa các bộ tản nhiệt và các bộ phận nóng để thu nhận độ chùng trong dung sai cơ học. Điều này có nghĩa là mỗi người dùng sẽ muốn miếng đệm có độ dày khác nhau.

2) Vật liệu đệm cách ly nhiệt khác nhau ở mức độ chúng có thể phù hợp với bề mặt gồ ghề. Thường có một sự đánh đổi giữa mức độ yếu của vật liệu và mức độ dẫn nhiệt của nó.

3) Người dùng khác nhau sẽ có các yêu cầu cách ly khác nhau về điện áp. Có sự đánh đổi giữa điện áp cách ly, độ dày vật liệu và điện trở nhiệt.

3) Thêm một chất cách điện giữa tản nhiệt và một bộ phận có hình phạt về khả năng chịu nhiệt. Nếu không thể sử dụng một lớp cách điện thì bạn sẽ có được hiệu suất nhiệt tốt nhất trong trường hợp đó.

Sự thỏa hiệp tốt nhất là tạo ra một lớp diện tích bề mặt cực kỳ mỏng với điện áp được xếp hạng cao [kV / mm] với độ cứng đủ để không bị cắt hoặc thủng nhưng cũng phải có chi phí thấp.

Đặc tính cách điện dẫn nhiệt bao gồm;

Cost-effective
Resistant to tears and cut-through
High dielectric strength
UL94 VO rated options available
Low ageing rate: Pads do not dry out, ooze out or crack  
Gap Filling, if burrs, roughness or planarity is a problem
Compatibility (gas sensors must be non-silicone and LED interfaces must be non-organic)
Low dielectric constant for capacitance load on collector/drain tabs on high dV/dt high voltage drivers

Tất cả các chất cách điện là "điện môi". Tất cả các tản nhiệt là chất dẫn nhiệt tốt.
Tuy nhiên, trong chất rắn, nó có thể đắt tiền khi có cả hai đặc tính tốt.
Vật liệu thay đổi pha làm biến chất lỏng dưới áp suất để tạo ra một giải pháp khả thi.

CPU có xu hướng sử dụng kính gốm làm đỉnh nhiệt cho tản nhiệt do các đặc tính cực kỳ phẳng.

Đối với Triacs điện áp đường dây, Mica là vật liệu tốt nhất để bảo vệ xung 5kV và dẫn nhiệt bằng mỡ nhiệt.

Chất lỏng điện môi như dầu biến thế cũng cách nhiệt tốt với dòng nhiệt.

Số liệu công đức để so sánh vật liệu Cách điện dẫn nhiệt sử dụng;

Độ dẫn nhiệt [W / mK] ,
độ dày [um] , độ cứng bờ [00] ,
Độ bền điện môi [kV / mm] và
Trở kháng nhiệt [˚C-cm² / W]

$\frac{V}{mm} \cdot \frac{°C\cdot mm}{W}$ hoặc chia bằng cách dẫn nhiệt trong $\frac{kV}{mm} /\frac{W}{m-K}$.

Giải pháp truyền thống; đã được Mica, băng 3M và một số băng polymer.

Giải pháp kinh tế tốt nhất của Aavid Thermalloy là:

Thermalsil III

  uses finely woven glass cloth with a silicone elastomer binder 0.152mm thick
  Dielectric Strength :  26 kV/mm     
  Thermal Conductivity: 0.92 W/m'C   
  UL 94V-0

Đối với việc loại bỏ nhiệt không khí cưỡng bức, nó không phải là CFM, nhưng thường được báo cáo, thay vào đó là tốc độ không khí bề mặt hỗn loạn điều khiển việc làm mát có nghĩa là [m / s].

Sản phẩm của cả hai tham số này dẫn đến các đặc tính vật liệu tốt nhất nhưng không phải là rẻ nhất.

Trên thực tế, có một giải pháp tốt: Nhôm. Nhôm anodized. Sự anot hóa biến bề mặt thành Nhôm Oxide, là một chất cách điện. Tin tốt: Diện tích bề mặt được tăng lên để giúp dẫn nhiệt ra không khí xung quanh; Bad News không phải là một bề mặt phẳng, nhẵn để tiếp xúc với thiết bị điện làm nóng. Giải pháp: Hợp chất nhiệt (còn gọi là "Mỡ"). Lưu ý quan trọng: có một số quy trình để anod hóa nhôm. Hầu hết những thứ đẹp đẽ là "Class I" mềm hoặc "Class II" có độ cứng vừa phải. Bạn có thể sử dụng Class II Nếu không có chuyển động tương đối của thiết bị được làm mát và nó được kẹp chắc chắn vào tản nhiệt và không có vết gờ hoặc vết trầy xước, điều này hoạt động tốt. Quá nhiều " nếu " s & ""Đối với bạn? Sau đó, anod hóa" Class III "là những gì bạn muốn. Nó có xu hướng có màu không đều và màu đen có màu nâu hoặc màu tía. Nó gần như cứng như kim cương, và khá nhiều vết xước. nhưng không có chất cách điện ở điện áp hợp lý. Quân đội & hàng không vũ trụ đã sử dụng nó trong hơn 50 năm, như là các vòng đệm anốt hóa mỏng (~ 0,025 ") (tương tự như cách điện mica TO-3 đục lỗ) hoặc toàn bộ vỏ bọc (nghĩ là tên lửa). Khó tìm thấy bây giờ một ngày và chi phí nhiều hơn các giải pháp khác, nhưng làm công việc tốt.

Đối với "mỡ", sử dụng silicone (không phải dầu mỏ), Nhôm Oxide (không phải Zinc Oxide) từ Dow, Shin-Etsu, Fuji-Poly hoặc Saint-Gobain. Các công cụ dựa trên bạc và đồng cổ điển để ép xung việc sử dụng máy tính của các game thủ vừa tốn kém vừa dẫn điện. Điều này là ổn với anod hóa Class III, miễn là nó không di chuyển, rơi, khô, bột hoặc vảy, v.v. vào các vật dụng mang theo hiện tại (chỉ không sử dụng nó). Nếu bạn thực sự cần kết hợp nhiều nhiệt với dầu mỡ, Beryllium Oxide tốt hơn nhiều lần so với Nhôm Oxide. Cứ coi nó như amiăng: đừng liếm nó, đừng ăn nó, đừng hít vào. Nó gây kích ứng da, vì vậy hãy đeo găng tay và chuẩn bị cho một cuộc "săn phù thủy độc hại". Các mỡ này chỉ cần dày 0,0001 "đến 0,0005" dưới thiết bị (loại trong mờ). Áp dụng với một vắt nhỏ bằng nhựa hoặc kim loại; đối với khối lượng sản xuất, sử dụng một stprint (cùng loại vật liệu stprint như được sử dụng để dán hàn ~ 0,005 "SS) và một cây mực.

Tôi đã thấy các bộ tản nhiệt với lớp phủ gốm mỏng trong khu vực lắp đặt, nhưng sự khác biệt của Cte là một vấn đề và có thể làm nứt lớp gốm mỏng.

Hy vọng điều này có ích, tôi đã nhận được điều này từ> 40 năm lang thang giữa các electron và lỗ electron.

Nhìn chung, tôi nghi ngờ rằng việc tránh "hao mòn" trong lĩnh vực này và do đó thay thế đắt tiền là lý do chính cho các ứng dụng chung tránh các tản nhiệt tinh thể. Không nói rằng tản nhiệt kim loại không bao giờ thất bại trong lĩnh vực này. Nhưng nói chung, việc thay thế các tản nhiệt kim loại trong lĩnh vực này sẽ rẻ hơn rất nhiều và đòi hỏi nhiều thiết bị chuyên dụng ít hơn so với các tản nhiệt tinh thể.

Đó là lúc bắt đầu tản nhiệt tinh thể thường tốn kém cho máy để định hình và một số sự phá vỡ bên phải sẽ xảy ra do căng thẳng nhiệt và cơ học. Bạn vẫn có thể ở trong tổng chi phí chấp nhận được nếu tất cả những gì xảy ra tại nhà máy tản nhiệt đặc biệt. Nhưng nó không phải là hiếm đối với các nhà sản xuất ứng dụng cuối cần cắt bớt tản nhiệt để phù hợp với vv

Lần thứ hai trong một ứng dụng thực địa, nhiều tản nhiệt trải qua sốc và rung cơ và nhiệt có thể nằm ngoài tỷ lệ sống 100% đối với tản nhiệt tinh thể. Mặt khác, tản nhiệt kim loại tốt có thể mất khá nhiều lạm dụng và uốn cong. Một số thậm chí phục vụ thứ hai như một điểm buộc cơ học vào khung bên ngoài của một tổ hợp lớn hơn.

Ngoài ra trong trường hợp tản nhiệt tinh thể, ốc vít có thể trở thành điểm hỏng thay vì tản nhiệt. Một dây buộc mềm hơn sẽ làm giảm thiệt hại rung động cho tản nhiệt, nhưng thay vào đó sẽ dần dần bị cưa bởi những rung động và uốn cong tương tự.

So crystalline heatsinks would probably become an occasional repair item in the field...assuming smart thermal shutdown and alerts. Now think what special tools are needed in the field and what sort of breakage rates might apply when your average tech tries to deal with replacement. I bet heatsinks would be something many corps, governments, and private customers would expect local techs to handle even if not circuits. Just a wrench job right?