คู่มือการผลิตฮีทซิงค์แบบท่อความร้อน

เนื่องจากความหนาแน่นของพลังงานไฟฟ้าเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ฮีทซิงค์แบบท่อความร้อนจึงกลายเป็นหนึ่งในโซลูชันการจัดการความร้อนแบบพาสซีฟที่มีประสิทธิภาพมากที่สุด เมื่อเปรียบเทียบกับฮีทซิงค์อะลูมิเนียมแบบเดิม ฮีทซิงค์ที่ออกแบบมาอย่างเหมาะสมพร้อมท่อความร้อนจะช่วยลดความต้านทานการกระจายความร้อน ปรับปรุงความสม่ำเสมอของอุณหภูมิ และเพิ่มประสิทธิภาพการระบายความร้อนโดยรวมได้อย่างมาก

1. ฮีทซิงค์แบบท่อความร้อนคืออะไร?

แผ่นระบายความร้อนแบบท่อความร้อน (Heatpipe heat sink) เป็นโซลูชันระบายความร้อนแบบผสมผสานที่รวมท่อความร้อนทองแดงที่มีค่าการนำความร้อนสูงเข้ากับแผ่นฐานอะลูมิเนียมที่ผ่านการกลึงอย่างแม่นยำ ท่อความร้อนจะถ่ายเทความร้อนจากแหล่งความร้อนไปยังบริเวณครีบระบายความร้อนอย่างรวดเร็ว ซึ่งความร้อนจะกระจายออกไปผ่านการพาความร้อนและการแผ่รังสี

ในรูปแบบฐานร่อง:

มีการสร้างร่องที่ตัดด้วยเครื่อง CNC บนฐานอลูมิเนียม

ท่อระบายความร้อนที่ขึ้นรูปไว้ล่วงหน้าจะถูกฝังเข้าไปในร่อง

ส่วนต่อประสานนั้นเชื่อมต่อกันด้วยการบัดกรีหรือกาวความร้อนประสิทธิภาพสูง

ครีบรูปตัว L (ขึ้นรูปด้วยการอัดรีด การเฉือน หรือการติดกาว) ช่วยเสริมโครงสร้างให้สมบูรณ์

การออกแบบนี้เป็นการผสมผสานระหว่าง:

ท่อความร้อนมีค่าการนำความร้อนที่มีประสิทธิภาพสูงเป็นพิเศษ

โครงสร้างอะลูมิเนียมน้ำหนักเบา ประหยัดต้นทุน

พื้นที่ผิวขนาดใหญ่สำหรับการระบายความร้อนด้วยการพาความร้อน

ผลลัพธ์ที่ได้คือแผ่นระบายความร้อนประสิทธิภาพสูงพร้อมท่อระบายความร้อนที่เหมาะสมสำหรับระบบที่มีความหนาแน่นพลังงานปานกลางถึงสูง

2. หลักการทำงานของระบบท่อความร้อน

ท่อความร้อนคือท่อทองแดงปิดผนึกที่มีของเหลวทำงานปริมาณเล็กน้อยอยู่ภายในภายใต้สภาวะสุญญากาศ วงจรการทำงานของท่อความร้อนประกอบด้วย:

1. การดูดซับความร้อนที่ส่วนระเหย

2. การระเหยของของเหลวที่ใช้ในการทำงาน

3. การลำเลียงไอน้ำไปยังบริเวณคอนเดนเซอร์

4. การระบายความร้อนเข้าสู่โครงสร้างครีบอะลูมิเนียม

5. การคืนของเหลวผ่านโครงสร้างไส้ตะเกียงภายใน

เมื่อนำท่อความร้อนไปประกอบเข้ากับแผ่นระบายความร้อน จะส่งผลให้:

l ช่วยลดความแตกต่างของอุณหภูมิฐาน

ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการกระจายความร้อน

l ช่วยลดความต้านทานความร้อนจากจุดเชื่อมต่อถึงสภาพแวดล้อม (rja)

l ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพภายใต้การพาความร้อนตามธรรมชาติ

3. การควบคุมวัตถุดิบ

3.1 การตรวจสอบท่อความร้อน

ท่อส่งความร้อนขาเข้าต้องผ่านการตรวจสอบอย่างเข้มงวด:

การตรวจสอบเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกและความหนาของผนัง

การวัดความคลาดเคลื่อนของความยาว l

การตรวจสอบความสะอาดของพื้นผิว

การตรวจสอบความสมบูรณ์ของสุญญากาศ

การตรวจสอบความถูกต้องของของเหลวทำงาน

การสุ่มตัวอย่างความสามารถในการถ่ายเทความร้อน

การตรวจสอบรับรองวัสดุ

ข้อควรพิจารณาในการออกแบบ:

รัศมีโค้งขั้นต่ำ: ≥1.5 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางท่อ

รัศมีดัดที่แนะนำ: 2 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลาง

อาจจำเป็นต้องปรับให้แบนราบเนื่องจากข้อจำกัดด้านพื้นที่

ต้องคำนวณค่าชดเชยการคืนตัวระหว่างการขึ้นรูป

3.2 การตรวจสอบแผ่นฐานอลูมิเนียม

วัสดุที่นิยมใช้โดยทั่วไป ได้แก่ โลหะผสมอะลูมิเนียม 6061 หรือ 6063

การตรวจสอบขาเข้าประกอบด้วย:

การวิเคราะห์องค์ประกอบด้วยสเปกโทรเมตร

การทดสอบความแข็งและความแข็งแรงดึง

การยืนยันค่าการนำความร้อน

เอกสารการปฏิบัติตามมาตรฐาน RoHS / REACH

4. การออกแบบทางวิศวกรรมและการเพิ่มประสิทธิภาพ DFM

ก่อนเริ่มการผลิต การประเมินทางวิศวกรรมประกอบด้วย:

การจำลองความร้อน l cfd

การเพิ่มประสิทธิภาพการจัดวางท่อความร้อน

การวิเคราะห์ความคลาดเคลื่อนของความกว้างและความลึกของร่อง

การสร้างแบบจำลองความต้านทานความร้อนของอินเทอร์เฟซ l

การประเมินความเครียดตกค้าง

ค่าความคลาดเคลื่อนเป้าหมายที่สำคัญสำหรับฮีทซิงค์แบบท่อความร้อนที่เชื่อถือได้:

ค่าความคลาดเคลื่อนของความกว้างร่อง: ±0.03 มม.

ค่าความคลาดเคลื่อนของความลึกของร่อง: ±0.05 มม.

ช่องว่างการประกอบด้านเดียว: ≤0.05 มม.

ความหนาของชั้นกาว: 0.1 ± 0.02 มม.

การวิเคราะห์การสะสมความคลาดเคลื่อนมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการลดความต้านทานความร้อนของส่วนต่อประสานให้เหลือน้อยที่สุด

5. การกลึงขึ้นรูปฐานอลูมิเนียมอย่างแม่นยำ

5.1 การเตรียมฐาน

การตัดวัสดุ

การบำบัดเพื่อบรรเทาความเครียด (ทางเลือก)

การกัดแบบอ้างอิงหกหน้า l

การกำหนดค่า l

5.2 การกลึงร่อง

การติดตั้งและการปรับเทียบเครื่องตัดร่องแบบพิเศษ

การกัดแบบหลายชั้นเพื่อควบคุมการเสียรูปจากความร้อน

การตรวจสอบมิติแบบเรียลไทม์

การควบคุมความตรง ≤0.1 มม. / 100 มม.

การกำจัดเสี้ยนที่ขอบร่อง

ความสะอาดหลังการกลึงเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งเพื่อให้มั่นใจได้ถึงประสิทธิภาพการยึดติดที่ดีที่สุดในชุดระบายความร้อนขั้นสุดท้ายพร้อมท่อระบายความร้อน

6. การขึ้นรูปท่อความร้อนล่วงหน้า

ท่อระบายความร้อนถูกดัดโค้งไว้ล่วงหน้าเพื่อให้เข้ากับเส้นทางร่อง 3 มิติ:

จิ๊กขึ้นรูปความแม่นยำสูง หรือ เครื่องดัด CNC

ค่าชดเชยการคืนตัว

การตรวจสอบด้วยการสแกน 3 มิติ

การเตรียมพื้นผิวขึ้นอยู่กับวิธีการยึดติด

สำหรับการบัดกรี:

การชุบนิกเกิลหรือการกระตุ้นทางเคมี

สำหรับการยึดติดด้วยกาว:

l การทำให้พื้นผิวหยาบ (การพ่นทรายหรือการกัดกรด)

การขึ้นรูปเบื้องต้นที่แม่นยำช่วยให้มั่นใจได้ว่าท่อความร้อนจะสัมผัสกันอย่างเต็มที่ภายในโครงสร้างระบายความร้อน

7. กระบวนการเชื่อมต่อ

ในการผลิตฮีทซิงค์แบบท่อความร้อน มีวิธีการเชื่อมต่อหลักสองวิธี

7.1 กระบวนการบัดกรี (ตัวเลือกที่มีความน่าเชื่อถือสูง)

ขั้นตอนต่างๆ ได้แก่:

1. การพิมพ์วางบัดกรีหรือการวางชิ้นงานบัดกรี

2. การใช้งานฟลักซ์แบบควบคุม (ปราศจากฮาโลเจน)

3. การกำหนดตำแหน่งอุปกรณ์จับยึดอย่างแม่นยำ (±0.05 มม.)

4. การบัดกรีแบบรีโฟลว์สุญญากาศ

พารามิเตอร์ทั่วไป:

ระดับสุญญากาศ<5×10⁻³ pa="">

อุณหภูมิสูงสุด 250–280°C (ขึ้นอยู่กับชนิดของโลหะบัดกรี)

โปรไฟล์การทำความร้อนที่ควบคุมได้

การป้องกันด้วยก๊าซเฉื่อย

การตรวจสอบคุณภาพหลังกระบวนการ:

การระบายความร้อนอย่างช้าๆ เพื่อลดความเครียดตกค้าง

การตรวจด้วยรังสีเอกซ์ (อัตราการเติม ≥90%)

อัตราส่วนช่องว่าง ≤5%

การทำความสะอาดคราบฟลักซ์

ข้อกำหนดด้านความแข็งแรงในการรับแรงเฉือน:

15 มปาสคาล

การบัดกรีช่วยลดความต้านทานความร้อนของส่วนเชื่อมต่อและเพิ่มความแข็งแรงของโครงสร้างให้มากขึ้น

7.2 การยึดติดด้วยกาวความร้อน

ใช้สำหรับงานออกแบบที่คำนึงถึงต้นทุนหรือมีข้อจำกัดด้านอุณหภูมิ

ขั้นตอนการดำเนินการ:

การอุ่นและไล่แก๊สของกาวล่วงหน้า

การจ่ายยาแบบควบคุม (ความแม่นยำของปริมาตร ±5%)

การประยุกต์ใช้ลูกปัดอย่างต่อเนื่อง

การสอดท่อความร้อน

การประยุกต์ใช้แรงดัน 0.2–0.5 mpa

การอบด้วยความร้อนที่อุณหภูมิ 80–120°C เป็นเวลา 1–4 ชั่วโมง

เป้าหมายด้านคุณภาพ:

ความหนาของชั้นยึดติด: 0.1 ± 0.02 มม.

ไม่มีฟองอากาศขนาดเกิน 0.5 มม.

ความแข็งแรงเฉือน >8 mpa

แม้ว่าการยึดติดด้วยกาวจะมีความยืดหยุ่นมากกว่า แต่ความต้านทานความร้อนจะสูงกว่าเล็กน้อยเมื่อเทียบกับการประกอบด้วยการบัดกรี

8. ตัวเลือกการตกแต่งพื้นผิว

หลังจากประกอบเสร็จแล้ว แผ่นระบายความร้อนแบบท่อความร้อนที่สมบูรณ์จะได้รับการตกแต่งพื้นผิว

การรักษาทั่วไปได้แก่:

การชุบอะโนไดซ์ด้วยกรดซัลฟิวริก

ความหนาของฟิล์ม 8–15 ไมโครเมตร

พื้นผิวสีดำเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการแผ่รังสี

การบำบัดปิดผนึก

การชุบอะโนไดซ์แบบแข็ง

ความหนา 30–50 ไมโครเมตร

ปรับปรุงความทนทานต่อการสึกหรอ

การชุบนิกเกิลแบบไม่ใช้ไฟฟ้า

ความหนา 5–15 ไมโครเมตร

ความต้านทานการกัดกร่อนที่เพิ่มขึ้น

การปรับสภาพพื้นผิวต้องไม่ส่งผลเสียต่อความเรียบของพื้นผิวที่จะติดตั้ง (≤0.1 มม.)

9. การควบคุมคุณภาพ (CTQ)

จุดควบคุมคุณภาพที่สำคัญ ได้แก่:

วิธีการตรวจสอบ:

การวัดขนาด l cmm

การถ่ายภาพด้วยรังสีเอกซ์

การสแกนอินเทอร์เฟซอัลตราโซนิก

การวิเคราะห์ภาคตัดขวาง (การสุ่มตัวอย่างแบบ FAI)

การทดสอบความแข็งแรงเฉือน

การทดสอบความต้านทานความร้อน

10. การตรวจสอบประสิทธิภาพทางความร้อน

แผ่นระบายความร้อนแบบท่อความร้อนระดับมืออาชีพต้องผ่านกระบวนการดังต่อไปนี้:

การทดสอบการป้อนพลังงานที่ควบคุมได้

การตรวจสอบอุณหภูมิหลายจุด

การคำนวณความต้านทานจากจุดเชื่อมต่อถึงสภาพแวดล้อม

การตรวจสอบเสถียรภาพระยะยาว

การทดสอบการทำงานของท่อความร้อนแบบอิสระ

การตรวจสอบประสิทธิภาพช่วยให้มั่นใจได้ว่าพฤติกรรมทางความร้อนมีความสม่ำเสมอในทุกชุดการผลิต

11. กำลังการผลิตและระยะเวลานำส่ง

ระยะเวลาการผลิตโดยทั่วไป:

วิศวกรรมและการเขียนโปรแกรม: 3-5 วันทำการ

การกลึงฐานอลูมิเนียม: 5–8 วัน

การขึ้นรูปท่อความร้อน: 2-3 วัน

กระบวนการยึดติด: 2–4 วัน

การเตรียมพื้นผิว: 2–3 วัน

การตรวจสอบและทดสอบ: 3-5 วัน

ระยะเวลานำส่งโดยรวมมาตรฐาน:
19–32 วันทำการ

การผลิตแบบเร่งด่วน:
12-15 วันทำการ (ขึ้นอยู่กับการประเมินความเป็นไปได้)

12. ข้อควรพิจารณาที่สำคัญทางด้านวิศวกรรม

เพื่อให้มั่นใจได้ถึงความน่าเชื่อถือในระยะยาวของฮีทซิงค์ที่มีท่อความร้อน:

ป้องกันความเสียหายทางกลต่อท่อความร้อน

ฉันรักษาความสะอาดของอินเทอร์เฟซอย่างเคร่งครัด

ฉันปรับโปรไฟล์ความร้อนในการบัดกรีให้เหมาะสมเพื่อลดความเครียดตกค้าง

ฉันคำนวณการสะสมความคลาดเคลื่อนอย่างรอบคอบ

ฉันรักษาการตรวจสอบย้อนกลับของวัสดุและกระบวนการอย่างครบถ้วน

ฉันกำหนดหมายเลขประจำเครื่องที่ไม่ซ้ำกันเพื่อใช้ในการติดตามวงจรชีวิตผลิตภัณฑ์

แผ่นระบายความร้อนแบบท่อความร้อนที่ได้รับการออกแบบอย่างเหมาะสมจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการกระจายความร้อน ลดอุณหภูมิในการทำงาน และปรับปรุงความน่าเชื่อถือของระบบในระยะยาวได้อย่างมาก

ด้วยการผสมผสานการตัดแต่งร่องด้วยเครื่อง CNC ที่มีความแม่นยำสูง การขึ้นรูปท่อความร้อนที่แม่นยำ กระบวนการเชื่อมต่อที่ควบคุมได้ และการตรวจสอบคุณภาพอย่างเข้มงวด ทำให้ฮีทซิงค์ประสิทธิภาพสูงพร้อมท่อความร้อนสามารถตอบสนองความต้องการด้านการระบายความร้อนในอุตสาหกรรมและกำลังสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพ