แผ่นระบายความร้อนเป็นหนึ่งในส่วนประกอบพื้นฐานที่สุดที่ใช้ในการระบายความร้อนให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เมื่อใดก็ตามที่แหล่งความร้อนไม่สามารถระบายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพผ่านการนำความร้อนด้วยตัวเองและต้องการการระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น แผ่นระบายความร้อนจะถูกใช้เพื่อถ่ายเทความร้อนออกจากแหล่งความร้อนและระบายความร้อนออกไปผ่านการนำความร้อนและการพาความร้อนที่เหมาะสมที่สุด

แผ่นระบายความร้อนถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง อุปกรณ์โทรคมนาคม เซิร์ฟเวอร์ ไฟ LED อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ยานยนต์ และอุปกรณ์อุตสาหกรรม

โครงสร้างพื้นฐานของฮีทซิงค์

โดยทั่วไปแล้ว แผ่นระบายความร้อนจะประกอบด้วยสองส่วนหลักๆ ดังนี้:

• ฐาน

• จนกระทั่ง

ฐานรองมักจะเป็นพื้นผิวเรียบที่สัมผัสกับแหล่งความร้อนโดยตรง หน้าที่ของมันคือการถ่ายเทความร้อนจากจุดร้อนและกระจายความร้อนอย่างสม่ำเสมอทั่วครีบระบายความร้อน

ครีบระบายความร้อนได้รับการออกแบบมาเพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวโดยรวมของฮีทซิงค์ สามารถผลิตได้ในรูปทรงที่หลากหลาย และโดยทั่วไปจะวางในแนวตั้งจากฐานเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการระบายความร้อนให้สูงสุด

เป้าหมายหลักในการออกแบบฮีทซิงค์คือการเพิ่มพื้นที่ผิวให้มากที่สุด เพื่อให้สามารถถ่ายเทความร้อนไปยังอากาศโดยรอบได้มากขึ้น

วัสดุระบายความร้อน

โดยส่วนใหญ่แล้ว แผ่นระบายความร้อนมักทำจากโลหะที่นำความร้อนได้ดี ซึ่งส่วนใหญ่เป็นอะลูมิเนียมหรือทองแดง

อะลูมิเนียม

อะลูมิเนียมเป็นวัสดุที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดสำหรับแผ่นระบายความร้อน

• ค่าการนำความร้อน: 235 วัตต์/มิลลิเคลวิน

• น้ำหนักเบา

• คุ้มค่า

• ผลิตง่าย

คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้อลูมิเนียมเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับโซลูชันระบายความร้อนที่มีน้ำหนักเบาและประหยัด

ทองแดง

ทองแดงเป็นอีกวัสดุยอดนิยมที่ใช้ทำฮีทซิงค์

• ค่าการนำความร้อน: ~400 วัตต์/มิลลิเคลวิน

• ความสามารถในการถ่ายเทความร้อนที่สูงขึ้น

แม้ว่าทองแดงจะมีน้ำหนักมากกว่าและมีราคาแพงกว่า แต่ก็มักเป็นสิ่งที่จำเป็นในงานด้านความร้อนที่มีประสิทธิภาพสูง

การพาความร้อนตามธรรมชาติเทียบกับการพาความร้อนแบบบังคับ

โดยทั่วไปแล้ว แผ่นระบายความร้อนจะถูกแบ่งออกเป็นสองประเภทตามสภาพการไหลของอากาศ

การพาความร้อนตามธรรมชาติ (การระบายความร้อนแบบพาสซีฟ)

ระบบระบายความร้อนแบบพาสซีฟอาศัยการไหลเวียนของอากาศตามธรรมชาติในการระบายความร้อนเท่านั้น

ผลิตภัณฑ์เหล่านี้ได้รับการออกแบบมาเพื่อ:

• เพิ่มพื้นที่ผิวให้สูงสุด

• ปล่อยให้อากาศไหลเวียนตามธรรมชาติ

• ทำงานโดยไม่ต้องใช้ส่วนประกอบแอคทีฟเพิ่มเติม

แผ่นระบายความร้อนแบบพาสซีฟมักใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้พลังงานต่ำ

การพาความร้อนแบบบังคับ (การทำความเย็นแบบแอctive)

ฮีทซิงค์แบบแอคทีฟใช้พัดลมหรือเครื่องเป่าลมเพื่อบังคับอากาศผ่านครีบระบายความร้อน

การไหลของอากาศแบบบังคับนี้ก่อให้เกิดความปั่นป่วน ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนและประสิทธิภาพการระบายความร้อนได้อย่างมาก

ระบบระบายความร้อนแบบแอคทีฟถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านต่างๆ ดังนี้:

• เซิร์ฟเวอร์

• อิเล็กทรอนิกส์กำลัง

• ระบบคอมพิวเตอร์ประสิทธิภาพสูง

ประเภทของฮีทซิงค์ทั่วไป

มีการใช้เทคโนโลยีการผลิตหลายประเภทในการผลิตแผ่นระบายความร้อน โดยแต่ละประเภทเหมาะสมกับความต้องการด้านความร้อนและการใช้งานที่แตกต่างกัน

1. แผ่นระบายความร้อนแบบปั๊มขึ้นรูป (ระดับแผงวงจร)

แผ่นระบายความร้อนแบบปั๊มขึ้นรูปผลิตจากแผ่นโลหะโดยใช้กระบวนการปั๊มขึ้นรูปทีละขั้นตอน แต่ละขั้นตอนการปั๊มจะเพิ่มรูปทรงและรายละเอียดต่างๆ ขณะที่โลหะเคลื่อนผ่านแม่พิมพ์

โดยทั่วไปแล้ว แผ่นระบายความร้อนเหล่านี้ได้รับการออกแบบมาสำหรับแพ็คเกจอิเล็กทรอนิกส์เฉพาะประเภท เพื่อให้มั่นใจได้ว่าสามารถติดตั้งบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ได้อย่างเหมาะสมที่สุด

อุปกรณ์เหล่านี้อาจทำงานในโหมดปกติ หรืออาจมีพัดลมเพื่อเพิ่มการไหลเวียนของอากาศทั่วทั้งอุปกรณ์

ข้อดี

• เหมาะสำหรับงานที่ใช้พลังงานต่ำ (0–5 วัตต์)

• ประกอบง่ายและรวดเร็ว

• ต้นทุนการผลิตต่ำ

• ปรับขนาดได้สำหรับการผลิตในปริมาณมาก

• ใช้ได้กับบรรจุภัณฑ์หลายประเภท

ข้อเสีย

• ไม่เหมาะสำหรับใช้งานกับอุปกรณ์ที่มีกำลังไฟเกิน 5 วัตต์

• ขนาดจำกัด (โดยทั่วไปต่ำกว่า 50 มม.)

• ออกแบบมาเพื่อระบายความร้อนให้กับอุปกรณ์เพียงชิ้นเดียวเท่านั้น

2. แผ่นระบายความร้อนอะลูมิเนียมอัดขึ้นรูป

การอัดรีดเป็นหนึ่งในวิธีการผลิตแผ่นระบายความร้อนที่ได้รับความนิยมและคุ้มค่าที่สุด

แผ่นระบายความร้อนแบบขึ้นรูปมีขนาดแตกต่างกันไปตามการใช้งาน รุ่นขนาดเล็กใช้สำหรับการระบายความร้อนระดับแผงวงจร ในขณะที่รุ่นขนาดใหญ่ได้รับการออกแบบมาสำหรับการจัดการความร้อนระดับกำลังไฟปานกลาง

สามารถปรับให้เหมาะสมสำหรับการระบายความร้อนทั้งแบบพาสซีฟและแอคทีฟได้ ขึ้นอยู่กับรูปทรงและระยะห่างของครีบระบายความร้อน

แผ่นระบายความร้อนแบบอัดขึ้นรูปที่ติดตั้งบนแผงวงจร มักใช้กับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ เช่น:

• บีจีเอ

• เอฟพีจีเอ

กระบวนการอัดขึ้นรูปเริ่มต้นด้วยแม่พิมพ์โปรไฟล์ที่กำหนดโครงสร้างครีบ ระยะห่าง และขนาดฐาน จากนั้นอลูมิเนียมที่ถูกทำให้ร้อนจะถูกดันผ่านแม่พิมพ์เพื่อสร้างโปรไฟล์ยาว ซึ่งจะถูกตัดให้ได้ความยาวที่ต้องการและนำไปแปรรูปเพิ่มเติมในภายหลัง

ข้อดี

• เหมาะสำหรับงานที่ต้องการกำลังไฟปานกลาง

• การผลิตที่คุ้มค่า

• ปรับขนาดได้สูงสำหรับการผลิตจำนวนมาก

• ปรับแต่งได้ง่าย

• โครงสร้างแบบชิ้นเดียวที่มีความต้านทานความร้อนต่ำ

ข้อเสีย

• ไม่เหมาะสำหรับงานที่ต้องการกำลังไฟฟ้าสูงมาก

• ข้อจำกัดด้านขนาด (กว้างประมาณ 23 นิ้ว และยาว 47 นิ้ว)

• โปรไฟล์ขนาดใหญ่อาจมีข้อจำกัดในการตกแต่ง

3. แผ่นระบายความร้อนแบบครีบเฉือน

การเฉือนผิวเป็นกระบวนการขึ้นรูปโลหะที่ใช้ขึ้นรูปครีบโดยตรงจากแท่งโลหะตัน โดยจะเฉือนชั้นบางๆ ออกจากฐานแล้วพับขึ้นด้านบนเพื่อสร้างเป็นครีบ

เนื่องจากครีบและฐานทำจากวัสดุชิ้นเดียวกัน จึงไม่มีรอยต่อหรือส่วนเชื่อมต่อ ซึ่งช่วยลดความต้านทานความร้อน

กระบวนการนี้ยังช่วยให้สามารถสร้างครีบที่บางมากและมีความหนาแน่นของครีบสูง ซึ่งช่วยเพิ่มพื้นที่ผิวโดยรวมได้อย่างมาก

แตกต่างจากการอัดขึ้นรูป การตัดเฉือนไม่จำเป็นต้องใช้เครื่องมือเฉพาะ ซึ่งช่วยลดต้นทุนเครื่องมือและทำให้สามารถสร้างต้นแบบได้เร็วขึ้น

ข้อดี

• ประสิทธิภาพการระบายความร้อนสูง

• ครีบบางและมีความหนาแน่นของครีบสูง

• ต้นทุนเครื่องมือที่ต่ำกว่า

• ประหยัดสำหรับแผ่นระบายความร้อนทองแดง

ข้อเสีย

• ไม่เหมาะสำหรับใช้งานกับอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานสูงมาก

• ข้อจำกัดด้านขนาด

• ครีบที่บางอาจเปราะบางกว่า

• ไม่ค่อยเหมาะสมสำหรับการผลิตในปริมาณมาก

4. แผ่นระบายความร้อนแบบครีบเชื่อมและครีบบัดกรี

แผ่นระบายความร้อนแบบครีบยึดติดประกอบด้วยส่วนประกอบหลักสองส่วน:

• ฐาน (ขึ้นรูปด้วยการอัดรีดหรือการกลึง)

• ครีบแต่ละชิ้นยึดติดด้วยกาวนำความร้อน อีพ็อกซี่ หรือการบัดกรี

โดยทั่วไปครีบระบายความร้อนจะถูกขึ้นรูปจากการปั๊มแผ่นโลหะบางๆ ในขณะที่ฐานอาจผลิตโดยการอัดขึ้นรูป การหล่อขึ้นรูป หรือการกลึง

นอกจากนี้ ยังสามารถบูรณาการเทคโนโลยีระบายความร้อนเพิ่มเติม เช่น ท่อความร้อนหรือห้องไอระเหย เข้ากับฐานเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพได้อีกด้วย

แผ่นระบายความร้อนแบบครีบเชื่อมติดให้ความยืดหยุ่นในการออกแบบมากขึ้นและช่วยให้มีความหนาแน่นของครีบสูงขึ้นในพื้นที่ที่เล็กลง

ข้อดี

• ดีไซน์กะทัดรัด เหมาะสำหรับพื้นที่จำกัด

• ประสิทธิภาพทางความร้อนสูง

• เหมาะสำหรับการพาความร้อนแบบบังคับ

• ระยะห่างของครีบที่แคบ

• อัตราส่วนความกว้างต่อความยาวของครีบสูง

• การบูรณาการการออกแบบที่ยืดหยุ่น

• ต้นทุนเครื่องมือที่ต่ำกว่า

ข้อเสีย

• ไม่เหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมที่มีการสั่นสะเทือนสูง

• ไม่เหมาะสมเมื่อค่าความต้านทานความร้อนที่ต้องการต่ำกว่า 0.01°C/w

5. แผ่นระบายความร้อนแบบครีบซิป

ครีบซิปทำจากแผ่นโลหะที่ขึ้นรูปเป็นชิ้นๆ หลายๆ ชิ้น นำมาพับและประกบเข้าด้วยกัน

ครีบเหล่านี้สามารถจัดเรียงได้สองแบบ:

• ช่องปิดสำหรับควบคุมการไหลของอากาศ

• การกำหนดค่าแบบเปิดสำหรับการไหลเวียนของอากาศหลายทิศทาง

โดยปกติแล้ว แผ่นครีบระบายความร้อนจะยึดติดกับฐานระบายความร้อนหรือท่อส่งความร้อนด้วยการบัดกรี การเชื่อมประสาน หรือการเชื่อมด้วยอีพ็อกซี่

การออกแบบนี้ให้ความเสถียรเชิงกลที่ยอดเยี่ยมและความยืดหยุ่นสูงสำหรับโซลูชันด้านความร้อนแบบบูรณาการ

ข้อดี

• ประสิทธิภาพทางความร้อนสูง

• เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่ต้องการการไหลเวียนของอากาศแบบบังคับ

• การบูรณาการการออกแบบที่ยืดหยุ่น

• ต้นทุนเครื่องมือที่ต่ำกว่า

• น้ำหนักเบา

• สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของท่อความร้อนได้

• ความเสถียรเชิงกลที่เพิ่มขึ้น

ข้อเสีย

• มีข้อจำกัดบางประการสำหรับข้อกำหนดความต้านทานความร้อนที่ต่ำมาก

6. แผ่นระบายความร้อนแบบครีบพับ

ครีบพับถูกสร้างขึ้นโดยการดัดแผ่นโลหะบางๆ ให้เป็นรูปทรงที่ซับซ้อนเพื่อเพิ่มพื้นที่ผิว

โดยทั่วไปครีบเหล่านี้จะถูกยึดติดหรือเชื่อมติดกับฐานเพื่อประกอบเป็นชุดระบายความร้อนขั้นสุดท้าย เทคโนโลยีครีบพับยังสามารถใช้ในระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวได้อีกด้วย

ข้อดี

• พื้นที่ผิวเพิ่มขึ้น

• ประสิทธิภาพครีบสูง

• ใช้ได้กับวัสดุหลายชนิด

• โครงสร้างน้ำหนักเบา

ข้อเสีย

• ทำงานได้ดีที่สุดเมื่ออากาศไหลผ่านครีบโดยตรง

• ต้นทุนการผลิตที่สูงขึ้นในบางกรณี

7. แผ่นระบายความร้อนแบบหล่อขึ้นรูป

แผ่นระบายความร้อนแบบหล่อขึ้นรูปผลิตขึ้นเป็นโครงสร้างชิ้นเดียวโดยใช้โลหะหลอมเหลวฉีดเข้าไปในแม่พิมพ์ที่ออกแบบมาโดยเฉพาะ

วิธีการผลิตนี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการผลิตในปริมาณมาก และช่วยให้สามารถสร้างรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อนซึ่งยากต่อการทำได้ด้วยกระบวนการอื่นๆ

หลังจากหล่อเสร็จแล้ว จะต้องมีการกลึงและตกแต่งขั้นสุดท้ายเพียงเล็กน้อยเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป

ข้อดี

• เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการผลิตในปริมาณมาก

• เหมาะสำหรับรูปทรงที่ซับซ้อน

• ความต้านทานความร้อนต่ำหรือใกล้ศูนย์

ข้อเสีย

• ต้นทุนการผลิตเครื่องมือและแม่พิมพ์เริ่มต้นสูง