แผ่นระบายความร้อนทำงานอย่างไรกันแน่?

ตลอด 12 ปีที่ผมทำงานออกแบบกล่องหุ้มและตรวจสอบความถูกต้องของแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ที่ eptahub.com ผมพบว่าการจัดการความร้อนเป็นสาเหตุอันดับหนึ่งที่ทำให้การออกแบบล้มเหลวในขั้นตอนสุดท้ายเสมอ วิศวกรฝึกหัดจะออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดกะทัดรัดแต่ทรงพลังมาก เปิดใช้งาน แล้วก็พบว่ามันละลายภายในไม่กี่นาที.

พวกเขาลืมกฎข้อแรกของอุณหพลศาสตร์ไป นั่นคือ พลังงานไม่สามารถสร้างขึ้นหรือทำลายได้ แต่สามารถเปลี่ยนรูปได้เท่านั้น เมื่อคุณป้อนพลังงานไฟฟ้าเข้าไปในไมโครโปรเซสเซอร์เพื่อทำการคำนวณ พลังงานส่วนใหญ่จะถูกเปลี่ยนเป็นความร้อนส่วนเกิน หากคุณไม่หาที่ระบายความร้อนนั้น ซิลิคอนจะเกินอุณหภูมิสูงสุดของจุดเชื่อมต่อ (โดยปกติประมาณ 105°C) และเกิดภาวะความร้อนสูงเกินควบคุมอย่างรุนแรงจนเกิดความเสียหายร้ายแรง.

ซึ่งนำเรามาสู่ส่วนประกอบที่สำคัญที่สุดในชุดประกอบกำลังสูงใดๆ ก็ตาม. ฮีทซิงค์คืออะไร?

ก่อนที่เราจะไปดูฮาร์ดแวร์ เราต้องชี้แจงคำศัพท์ให้ชัดเจนก่อน หากคุณค้นหา ในสภาพภูมิอากาศ อะไรคือสิ่งที่ช่วยดูดซับความร้อน? หรือ ในทางชีววิทยา ตัวระบายความร้อนคืออะไร?, คุณกำลังดูคำจำกัดความกว้างๆ ทางเทอร์โมไดนามิกส์: “แหล่งระบายความร้อน” คือ สภาพแวดล้อมหรือระบบที่ดูดซับและระบายความร้อน ในทางภูมิอากาศวิทยา มหาสมุทรของโลกทำหน้าที่เป็นแหล่งระบายความร้อนขนาดใหญ่ โดยดูดซับรังสีจากดวงอาทิตย์ ในทางชีววิทยา ผิวหนังของมนุษย์ทำหน้าที่เป็นแหล่งระบายความร้อน โดยขับเหงื่อเพื่อระบายความร้อนแกนกลางของร่างกายออกสู่อากาศ.

อย่างไรก็ตาม ในสาขาวิศวกรรมไฟฟ้าและวิศวกรรมเครื่องกล คำจำกัดความนั้นมีความเฉพาะเจาะจงมาก เมื่อเราถาม ฮีทซิงค์ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์คืออะไร, เรากำลังกำหนดส่วนประกอบเชิงกลที่นำความร้อนได้ดีและแยกจากกัน ซึ่งติดอยู่กับอุปกรณ์ที่สร้างความร้อน (เช่น CPU หรือทรานซิสเตอร์กำลัง) โดยมีคุณสมบัติเพียงอย่างเดียวคือ... ฟังก์ชันระบายความร้อน คือการเพิ่มพื้นที่ผิวของแหล่งความร้อนอย่างมาก ทำให้ความร้อนส่วนเกินสามารถถ่ายเทไปยังตัวกลางของเหลวโดยรอบ (โดยปกติคืออากาศหรือสารหล่อเย็นที่เป็นของเหลว) ในอัตราเร่งสูง.

แผ่นระบายความร้อนทำงานอย่างไร?

เพื่อที่จะเข้าใจ ฟังก์ชันระบายความร้อน, คุณต้องเข้าใจกลไกหลักสองประการของการถ่ายเทความร้อนที่เกิดขึ้นบนแผงวงจร: การนำไฟฟ้า และ การพาความร้อน.

แผ่นระบายความร้อนไม่ได้ "ทำลาย" ความร้อนอย่างน่าอัศจรรย์ มันทำหน้าที่เป็นสะพานความร้อน ต่อไปนี้คือหลักการทางฟิสิกส์ของการทำงานของมันทีละขั้นตอน:

1. การสร้างความร้อน: ชิปซิลิคอน (ตัวประมวลผล) สร้างพลังงานความร้อนสูงมาก.
2. การนำความร้อน (จากของแข็งสู่ของแข็ง): โดยธรรมชาติแล้ว ความร้อนจะไหลจากบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงไปยังบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำ (กฎของฟูเรียร์) ความร้อนจะถ่ายเทจากซิลิคอน ผ่านฝาโลหะของโปรเซสเซอร์ และไปยังฐานแบนของแผ่นระบายความร้อน.
3. การกระจาย: เนื่องจากแผ่นระบายความร้อนทำจากวัสดุที่มีการนำความร้อนสูง (เช่น อลูมิเนียมหรือทองแดง) ความร้อนจึงกระจายตัวอย่างรวดเร็วจากฐานขึ้นไปยังครีบแนวตั้งจำนวนมาก.
4. การพาความร้อน (จากของแข็งสู่ของเหลว): นี่คือจุดที่ความมหัศจรรย์เกิดขึ้น อากาศโดยรอบครีบระบายความร้อนนั้นเย็นกว่าโลหะ เมื่อความร้อนถ่ายเทไปยังโมเลกุลของอากาศ อากาศนั้นจะมีความหนาแน่นน้อยลงและลอยขึ้น (หรือถูกพัดไปโดยพัดลม) โดยนำพลังงานความร้อนไปด้วย อากาศที่เย็นกว่าจะเคลื่อนเข้ามาแทนที่ทันที ทำให้เกิดวงจรการระบายความร้อนอย่างต่อเนื่อง.

ความลับของพื้นที่ผิว

ทำไมไม่ปล่อยให้โปรเซสเซอร์ระบายความร้อนด้วยตัวเองล่ะ? ชิป CPU ทั่วไปมีขนาดประมาณแสตมป์ไปรษณีย์ มันไม่มีพื้นที่ผิวเพียงพอที่จะสัมผัสกับโมเลกุลอากาศเพื่อระบายความร้อนออกไปได้ แผ่นระบายความร้อนจะใช้พื้นที่ 2 ตารางนิ้วนั้น และด้วยการใช้ครีบโลหะสูงและบางหลายสิบอัน มันจะขยายพื้นที่ผิวให้ใหญ่ขึ้นเป็นหลายร้อยหรือหลายพันตารางนิ้ว.

แผ่นระบายความร้อนในคอมพิวเตอร์คืออะไร?

เมื่อผู้ใช้ค้นหา ฮีทซิงค์ในคอมพิวเตอร์คืออะไร, โดยปกติแล้ว พวกเขามักจะนึกถึงบล็อกขนาดใหญ่ โลหะวางอยู่โดยตรง ตรงกลางหน้าจอคอมพิวเตอร์ตั้งโต๊ะของพวกเขา.

ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคและเซิร์ฟเวอร์ แผ่นระบายความร้อนจะถูกติดตั้งบนเซมิคอนดักเตอร์ทุกชนิดที่ใช้กำลังไฟฟ้าสูง.

• ซีพียู (หน่วยประมวลผลกลาง) และจีพียู (หน่วยประมวลผลกราฟิก): ส่วนประกอบเหล่านี้เป็นส่วนประกอบที่ใช้พลังงานมากที่สุด โดยมักใช้พลังงานไฟฟ้าตั้งแต่ 65 ถึง 300 วัตต์ขึ้นไป หากไม่มีแผ่นระบายความร้อนขนาดใหญ่ ซีพียูสมัยใหม่จะร้อนถึงอุณหภูมิเดือดได้ภายในเวลาไม่ถึง 3 วินาที.
• ฮีทซิงค์ในงานออกแบบเมนบอร์ดคืออะไร? หากคุณสังเกตบริเวณซ็อกเก็ต CPU บนเมนบอร์ดระดับไฮเอนด์ คุณจะเห็นบล็อกโลหะขนาดเล็กที่มีลักษณะเป็นหยักๆ บล็อกเหล่านี้คือแผ่นระบายความร้อนที่ช่วยระบายความร้อนให้กับ CPU โมดูลควบคุมแรงดันไฟฟ้า (VRM). VRM ทำหน้าที่ลดแรงดันไฟฟ้า 12 โวลต์จากปลั๊กไฟบ้านให้เหลือเพียง 1.2 โวลต์ ซึ่งเป็นแรงดันไฟฟ้าที่ซีพียูต้องการ การแปลงแรงดันไฟฟ้าอย่างรวดเร็วนี้ทำให้เกิดความร้อนสูงมาก หากฮีทซิงค์ของ VRM เสียหาย เมนบอร์ดจะลดกำลังไฟที่จ่ายให้กับซีพียู ทำให้ระบบล่มได้.

ฮีทซิงค์มีกี่ประเภท?

เมื่อคำนวณงบประมาณด้านความร้อนของโครงสร้างปิดที่ eptahub.com การตัดสินใจทางสถาปัตยกรรมที่สำคัญประการแรกที่ผมต้องทำคือการเลือกระหว่างการจัดการความร้อนสองประเภทพื้นฐาน. ฮีทซิงค์มีกี่ประเภท? พวกมันถูกจัดประเภทตามลักษณะการไหลเวียนของอากาศโดยรอบ: พาสซีฟ และ คล่องแคล่ว.

หากคุณเลือกประเภทที่ไม่เหมาะสมกับสภาพแวดล้อม อุปกรณ์ของคุณอาจร้อนเกินไปหรือเกิดความเสียหายทางกลไกได้.

1. ระบบระบายความร้อนแบบพาสซีฟ (การพาความร้อนตามธรรมชาติ)

A ฮีทซิงค์แบบพาสซีฟ หลักการทำงานอาศัยแรงลอยตัวตามธรรมชาติของอากาศร้อนโดยสิ้นเชิง เมื่อครีบทำให้อากาศโดยรอบร้อนขึ้น อากาศร้อนจะลอยขึ้น ดึงอากาศเย็นจากด้านล่างเข้ามา ไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว ไม่มีพัดลม และไม่มีปั๊ม.

• ข้อได้เปรียบทางวิศวกรรม: ความน่าเชื่อถืออย่างแท้จริง เนื่องจากไม่มีพัดลมเชิงกล จึงไม่มีเสียงรบกวน ไม่มีตลับลูกปืนที่จะสึกหรอ และไม่จำเป็นต้องใช้พลังงานไฟฟ้า การระบายความร้อนแบบพาสซีฟเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับอุปกรณ์อุตสาหกรรมที่ทนทาน เสาโทรคมนาคม และชิ้นส่วนอากาศยาน ซึ่งหากพัดลมเสียจะทำให้ระบบล่มอย่างไม่สามารถแก้ไขได้.
• ข้อจำกัดทางวิศวกรรม (ระยะห่างระหว่างครีบ): คุณไม่สามารถนำครีบระบายความร้อนแบบพาสซีฟมาติดแน่นๆ ด้วยครีบเล็กๆ นับร้อยๆ อันได้ ในพลศาสตร์ของไหล อากาศที่เคลื่อนที่ไปกระทบกับพื้นผิวของแข็งจะสร้าง "ชั้นขอบเขต" ของอากาศที่หยุดนิ่งและมีแรงเสียดทานสูง หากครีบอยู่ใกล้กันเกินไป ชั้นขอบเขตจะรวมกัน ทำให้การไหลของอากาศถูกปิดกั้นโดยสิ้นเชิง ฮีทซิงค์แบบพาสซีฟจึงทำไม่ได้ ต้อง มีครีบระบายความร้อนที่เว้นระยะห่างกันมาก ทำให้มีขนาดใหญ่และหนักกว่าฮีทซิงค์แบบแอคทีฟมาก.

2. ระบบระบายความร้อนแบบแอคทีฟ (การพาความร้อนแบบบังคับ)

ระบบระบายความร้อนแบบแอคทีฟประกอบด้วยแผ่นระบายความร้อนโลหะและอุปกรณ์เชิงกล ซึ่งโดยทั่วไปจะเป็นพัดลมความเร็วสูงหรือปั๊มระบายความร้อนด้วยของเหลว เพื่อบังคับให้สารหล่อเย็นไหลผ่านครีบระบายความร้อนอย่างรุนแรง.

• ข้อได้เปรียบทางวิศวกรรม: การระบายความร้อนอย่างมหาศาลในพื้นที่ขนาดเล็ก เนื่องจากพัดลมเป่าลมผ่านโลหะด้วยแรงดันสถิตสูง เราจึงสามารถจัดเรียงครีบระบายความร้อนให้ชิดกันอย่างเหลือเชื่อ ซึ่งจะเพิ่มพื้นที่ผิวให้สูงสุดและช่วยให้เราระบายความร้อนให้กับ GPU ขนาด 300 วัตต์ในพื้นที่จำกัดได้.
• ข้อจำกัดทางวิศวกรรม: พัดลมเป็นชิ้นส่วนกลไกที่อาจเกิดความเสียหายได้ หากตลับลูกปืนของพัดลมติดขัดเนื่องจากการสะสมของฝุ่น ครีบระบายความร้อนที่อยู่ชิดกันจะอุดตันทันที การระบายความร้อนตามธรรมชาติจะล้มเหลว และระบบจะร้อนเกินไป.

ตารางเปรียบเทียบทางวิศวกรรม: ฮีทซิงค์แบบพาสซีฟและแบบแอคทีฟ

นี่คือตารางอ้างอิงฉบับย่อที่เราใช้ในระหว่างขั้นตอนการออกแบบ CAD เบื้องต้น เพื่อกำหนดกลยุทธ์ด้านความร้อนที่ถูกต้อง:

กรณีศึกษาทางวิศวกรรม: กับดักความร้อนแบบ “กล่องปิดสนิท”

เพื่อแสดงให้เห็นถึงความสำคัญอย่างยิ่งของการทำความเข้าใจหลักการทางฟิสิกส์ของฮีทซิงค์ ลองมาทบทวนการวิเคราะห์ความล้มเหลวที่ผมได้ดำเนินการให้กับลูกค้าด้านเทคโนโลยีการเกษตรรายหนึ่ง ซึ่งกำลังพัฒนาเกตเวย์ IoT สำหรับติดตั้งบนรถแทรกเตอร์.

สถานการณ์จำลอง: ลูกค้า ออกแบบระบบประมวลผลที่มีประสิทธิภาพสูง หน่วยคำนวณผลผลิตพืชแบบเรียลไทม์ เนื่องจากรถแทรกเตอร์ทำงานในสภาพที่มีฝุ่นละอองและฝนตกหนัก อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จึงถูกบรรจุไว้ภายในกล่องอะลูมิเนียมที่ปิดสนิทอย่างสมบูรณ์ ได้มาตรฐาน IP67 เพื่อระบายความร้อนให้กับโปรเซสเซอร์ภายใน นักออกแบบรุ่นเยาว์จึงเลือกใช้พัดลมประสิทธิภาพสูง ตัวระบายความร้อนแบบแอคทีฟ (บล็อกทองแดงพร้อมพัดลมความเร็วสูง) ติดตั้งโดยตรงกับชิปภายในกล่องปิดผนึก.

ความล้มเหลว: ระหว่างการทดสอบภาคสนามท่ามกลางอากาศร้อนจัดในฤดูร้อน เครื่องได้หยุดทำงานโดยสมบูรณ์หลังจากใช้งานไปได้เพียง 45 นาที ลูกค้าต่างงงงวย. “มันร้อนเกินไปได้ยังไง? เราใส่พัดลมความเร็ว 5,000 รอบต่อนาทีไว้ในกล่องแล้วนะ!”

มติทางวิศวกรรม: ลูกค้าเข้าใจผิด ฮีทซิงค์ทำหน้าที่อะไร. แผ่นระบายความร้อนไม่ได้กำจัดความร้อน แต่เป็นการถ่ายเทความร้อนไปยังอากาศ.

ภายในกล่องปิดสนิทระดับ IP67 ไม่มีอากาศถ่ายเท พัดลมระบายความร้อนทำงานได้อย่างสมบูรณ์แบบ ระบายความร้อนออกจากโปรเซสเซอร์อย่างรุนแรงและระบายออกสู่อากาศที่ถูกกักอยู่ภายในกล่อง อย่างไรก็ตาม อากาศที่ถูกกักไว้นั้นไม่มีทางระบายออก ภายใน 45 นาที อากาศโดยรอบก็ร้อนขึ้น ข้างใน กล่องมีอุณหภูมิสูงถึง 90 องศาเซลเซียส ณ จุดนั้น อากาศมีอุณหภูมิสูงเท่ากับโปรเซสเซอร์แล้ว หลักการทางเทอร์โมไดนามิกส์หยุดชะงัก (ความแตกต่างของอุณหภูมิเป็นศูนย์) และโปรเซสเซอร์ก็ละลาย.

วิธีแก้ไข: ฉันออกแบบระบบระบายความร้อนใหม่จากแบบแอคทีฟเป็นแบบพาสซีฟ.

1. เราถอดพัดลมภายในออกทั้งหมดแล้ว.
2. เราออกแบบเสานำความร้อนอะลูมิเนียมแข็งที่ถ่ายเทความร้อนโดยตรงจากโปรเซสเซอร์ไปยังผนังด้านในของตัวเรือนอะลูมิเนียม.
3. เราได้ออกแบบใหม่ ภายนอก ของตัวเรือนอะลูมิเนียมเข้าไปในโครงสร้างขนาดใหญ่ที่มีครีบระบายความร้อน ฮีทซิงค์แบบพาสซีฟ.
4. ตอนนี้ความร้อนได้ไหลผ่านอากาศภายในทั้งหมดแล้ว โดยนำความร้อนผ่านผนังตัวเครื่องและกระจายออกไปสู่อากาศโดยรอบอันกว้างใหญ่ของโลกภายนอกผ่านการพาความร้อนตามธรรมชาติ ระบบจึงไม่เคยมีอุณหภูมิเกิน 55 องศาเซลเซียสอีกเลย.

ทำไมคุณถึงต้องการสารนำความร้อน?

ในแผนกวิศวกรรมเครื่องกลของ eptahub.com เรามักเห็นช่างเทคนิคฝึกหัดติดตั้งแผ่นระบายความร้อนทองแดง $50 ที่ผ่านการกลึงอย่างประณีตลงบนตัวประมวลผลซิลิคอนเปล่าๆ จากนั้นเปิดเครื่อง และก็เกิดการปิดเครื่องเนื่องจากความร้อนสูงเกินไปทันที พวกเขาต่างงุนงง แรงกดในการติดตั้งนั้นสมบูรณ์แบบ และโลหะก็เย็นแล้ว ดังนั้น อะไรผิดพลาดไปกันแน่?

พวกเขาเพิกเฉยต่อหลักฟิสิกส์ระดับจุลภาคของพื้นผิวที่ผ่านการกลึง และล้มเหลวในการนำไปใช้ สารระบายความร้อน.

เมื่อมองด้วยตาเปล่า ด้านล่างของแผ่นระบายความร้อนและด้านบนของซีพียูดูเรียบสนิทและเหมือนกระจก แต่เมื่อมองผ่านกล้องจุลทรรศน์ พื้นผิวโลหะเหล่านี้จะดูเหมือนเทือกเขาที่ขรุขระ มีหุบเขาลึกและยอดเขาสูง เมื่อคุณกดแผ่นโลหะ "เรียบ" สองแผ่นนี้เข้าด้วยกัน พื้นที่สัมผัสระหว่างโลหะกับโลหะจริง ๆ มักจะน้อยกว่า 10% ด้วยซ้ำ.

ส่วนที่เหลือของ 90% ประกอบด้วยช่องว่างอากาศขนาดเล็กมาก. ในทางเทอร์โมไดนามิกส์ อากาศนิ่งเป็นฉนวนความร้อนที่ยอดเยี่ยม. ช่องว่างอากาศขนาดเล็กเหล่านั้นขัดขวางการถ่ายเทความร้อนจากซีพียูไปยังแผ่นระบายความร้อน.

ฟิสิกส์ของวัสดุเชื่อมต่อความร้อน (TIM)

เพื่อแก้ไขปัญหานี้ วิศวกรจึงกำหนดวัสดุเชื่อมต่อความร้อน (Thermal Interface Material หรือ TIM) ซึ่งโดยทั่วไปเรียกว่า สารระบายความร้อน หรือจาระบีระบายความร้อน.

• องค์ประกอบ: สารนำความร้อน (Heat sink paste) คือของเหลวที่มีความหนืด (โดยทั่วไปเป็นซิลิโคนหรือน้ำมันสังเคราะห์) ผสมกับอนุภาคขนาดเล็กที่มีคุณสมบัติการนำความร้อนสูง (เช่น ซิงค์ออกไซด์ อะลูมิเนียมออกไซด์ เงิน หรืออนุภาคคาร์บอนขนาดเล็ก).
• ฝ่ายวิศวกรรม: คุณเพียงแค่ทาครีมนี้ในปริมาณน้อยมาก ๆ ระหว่างซีพียูและฮีทซิงค์ เมื่อออกแรงกด ครีมจะถูกบีบออกมาเติมเต็มทุกซอกทุกมุมเล็ก ๆ อย่างสมบูรณ์แบบ และขับไล่อากาศที่เป็นฉนวนออกไป.
• ความผิดพลาดของมือใหม่ (ยิ่งมาก ยิ่งไม่ดี): ค่าการนำความร้อนของสารนำความร้อนในแผ่นระบายความร้อนนั้นแตกต่างกันอย่างมาก ต่ำกว่า มากกว่าโลหะแข็ง หน้าที่เดียวของมันคือการแทนที่อากาศ หากคุณใช้กาวมากเกินไป คุณจะสร้างกำแพงทางกายภาพที่หนาขึ้นระหว่างโลหะทั้งสอง ซึ่งจริงๆ แล้ว... เพิ่มขึ้น ความต้านทานความร้อนและทำให้ชิ้นส่วนร้อนเกินไป เป้าหมายทางวิศวกรรมคือการสร้างชั้นที่บางที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ในระดับโมเลกุล.

การเลือกวัสดุระบายความร้อนที่เหมาะสม

เมื่อประเมินรายการวัสดุ (BOM) สำหรับการจัดการความร้อน ตัวแปรที่สำคัญที่สุดรองจากรูปทรงของครีบระบายความร้อน คือการเลือกใช้ วัสดุระบายความร้อน. คุณไม่สามารถเลือกโลหะเพียงเพราะมันดูสวยงามได้ คุณต้องพิจารณาค่าการนำความร้อนของมันด้วย$k$) วัดเป็นวัตต์ต่อเมตร-เคลวิน ($\text{ว/ม.cdotpK}$).

ใน การผลิตทางอุตสาหกรรม ในภาคส่วนนี้ การถกเถียงแทบจะมุ่งเน้นไปที่สององค์ประกอบหลัก ได้แก่ อลูมิเนียมและทองแดง.

1. อะลูมิเนียม (มาตรฐานอุตสาหกรรม)

สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เชิงพาณิชย์รุ่น 90% นั้น อลูมิเนียมถือเป็นวัสดุระบายความร้อนที่ดีที่สุดอย่างไม่ต้องสงสัย โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เราเลือกใช้โลหะผสมซีรีส์ 6000 (เช่น 6061 หรือ 6063).

• ค่าการนำความร้อน: ดี ($k\approx 200\text{ ถึง }230\text{ ว/ม.cdotpK}$).
• ข้อดีทางวิศวกรรม: อะลูมิเนียม มีน้ำหนักเบามาก ราคาไม่แพง และที่สำคัญที่สุดคือมีความยืดหยุ่นสูงมาก ซึ่งหมายความว่าเราสามารถดันแท่งอลูมิเนียมร้อนขนาดใหญ่ผ่านแม่พิมพ์เหล็กได้ ( กระบวนการอัดรีด) เพื่อผลิตแผ่นระบายความร้อนที่มีครีบซับซ้อนจำนวนหลายพันฟุตต่อชั่วโมงในราคาประหยัด.
• กรณีศึกษา: เมนบอร์ด VRM, โคมไฟ LED, ตัวระบายความร้อน SSD และตู้เก็บอุปกรณ์อุตสาหกรรมอเนกประสงค์.

2. ทองแดง (โลหะประสิทธิภาพสูงสำหรับงานหนัก)

เมื่อความหนาแน่นของความร้อนสูงถึงระดับสุดขีด (เช่นในศูนย์ข้อมูลเซิร์ฟเวอร์ โครงสร้างพื้นฐานด้านโทรคมนาคม หรือการ์ดจอเกมระดับไฮเอนด์) อะลูมิเนียมไม่สามารถระบายความร้อนออกจากซิลิคอนได้เร็วพอ เราจึงต้องเปลี่ยนไปใช้ทองแดง.

• ค่าการนำความร้อน: ยอดเยี่ยม ($k\approx 400\text{ ว/ม.cdotpK}$ทองแดงนำความร้อนได้เร็วกว่าอะลูมิเนียมเกือบสองเท่า.
• ข้อเสียทางด้านวิศวกรรม: ทองแดงมีราคาแพงมาก เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันได้ง่าย (เปลี่ยนเป็นสีเขียว/น้ำตาล) และมีความหนาแน่นสูงมาก (หนักมาก) นอกจากนี้ การขึ้นรูปทองแดงให้เป็นรูปทรงครีบที่ซับซ้อนก็ทำได้ยากมาก มักต้องใช้กระบวนการที่มีราคาแพง การตัดเฉือนด้วยเครื่อง CNC หรือกระบวนการที่เรียกว่า "การเฉือน" (ซึ่งใบมีดจะเฉือนและดัดครีบแนวตั้งออกจากแท่งทองแดงตัน).

3. โซลูชันแบบไฮบริด (ฐานทองแดง + ครีบอลูมิเนียม)

ที่ eptahub.com เรามักจะออกแบบวิธีการประนีประนอมเพื่อให้ได้สิ่งที่ดีที่สุดจากทั้งสองด้าน เราออกแบบฮีทซิงค์ที่มีโครงสร้างแข็งแรงทนทาน แผ่นฐานทองแดง และ ครีบอลูมิเนียม.

• ฟิสิกส์: แผ่นฐานทองแดงวางอยู่บนซีพียูโดยตรง คุณสมบัติการนำความร้อนสูงของมันทำหน้าที่เป็น "ตัวกระจายความร้อน" อย่างรวดเร็ว ดึงความร้อนที่พุ่งสูงขึ้นอย่างรวดเร็วออกจากชิปซิลิคอนขนาดเล็กและกระจายไปทั่วพื้นที่กว้าง ความร้อนนั้นจะถูกถ่ายเทขึ้นไปยังครีบอะลูมิเนียมที่ติดอยู่ ซึ่งช่วยจัดการกระบวนการพาความร้อนในอากาศได้อย่างประหยัดและน้ำหนักเบา.

พลศาสตร์ความร้อนขั้นสูง: ท่อความร้อนและห้องไอระเหย

เนื่องจากไมโครโปรเซสเซอร์มีขนาดเล็ลงเรื่อยๆ ในขณะที่การใช้พลังงานเพิ่มสูงขึ้นอย่างมาก แม้แต่ทองแดงล้วนก็ยังไม่เร็วพออีกต่อไป วิศวกรรมสมัยใหม่จึงเปลี่ยนจากการนำไฟฟ้าแบบโซลิดสเตทไปสู่... อุณหพลศาสตร์ของการเปลี่ยนสถานะ.

หากคุณสังเกตพัดลมระบายความร้อน CPU ระดับไฮเอนด์ คุณจะเห็นท่อทองแดงวิ่งอยู่ภายในครีบอลูมิเนียม ท่อเหล่านี้ไม่ใช่โลหะตัน แต่เป็น... ท่อความร้อน.

1. กายวิภาคศาสตร์: ท่อความร้อนเป็นท่อทองแดงกลวงที่ปิดสนิท ผนังด้านในบุด้วยวัสดุคล้ายฟองน้ำที่มีรูพรุน ท่อนี้ถูกทำให้เป็นสุญญากาศอย่างสมบูรณ์ และบรรจุของเหลวทำงานปริมาณเล็กน้อย (โดยปกติคือน้ำบริสุทธิ์) ไว้ภายใน.
2. การระเหย (การดูดซับความร้อน): เนื่องจากท่ออยู่ในสภาวะสุญญากาศ น้ำภายในจึงเดือดที่อุณหภูมิต่ำกว่ามาก (เช่น 30°C แทนที่จะเป็น 100°C) เมื่อความร้อนจากซีพียูตกกระทบที่ก้นท่อ น้ำจะกลายเป็นไอน้ำทันที โดยดูดซับพลังงานความร้อนจำนวนมหาศาล (ความร้อนแฝงของการระเหย).
3. การถ่ายเทไอ: ไอน้ำแรงดันสูงพุ่งขึ้นไปตามช่องว่างตรงกลางของท่อด้วยความเร็วเกือบเท่าความเร็วเสียง ไปยังปลายท่อด้านที่เย็นกว่า (ซึ่งเป็นที่ตั้งของครีบโลหะและพัดลม).
4. การควบแน่น (การปล่อยความร้อน): เมื่อไอน้ำกระทบกับบริเวณที่เย็น ไอน้ำจะควบแน่นกลับเป็นของเหลว และปลดปล่อยความร้อนที่สะสมไว้ทั้งหมดออกมาอย่างรุนแรงสู่ครีบระบายความร้อน.
5. แรงดึงดูดของเส้นเลือดฝอย: จากนั้นน้ำในสถานะของเหลวจะถูกดึงกลับลงไปยังแหล่งความร้อนผ่านไส้ตะเกียงที่มีรูพรุนโดยอาศัยแรงดึงดูดของเส้นเลือดฝอย (ซึ่งขัดกับแรงโน้มถ่วง) และวงจรนี้จะวนซ้ำไปเรื่อยๆ อย่างไม่มีที่สิ้นสุด.

ท่อความร้อนสามารถถ่ายเทพลังงานความร้อนได้เร็วกว่าแท่งทองแดงตันหลายพันเท่า เมื่อวิศวกรนำท่อความร้อนขนาดใหญ่มาแผ่ให้เป็นแผ่นเรียบกว้างเพื่อคลุมการ์ดจอทั้งใบ จะเรียกว่า... ห้องไอระเหย. เทคโนโลยีการเปลี่ยนสถานะนี้เป็นเหตุผลเดียวที่ทำให้แล็ปท็อปเกมมิ่งบางเฉียบในปัจจุบันไม่เกิดไฟไหม้ทันทีเมื่อใช้งานหนัก.

เอกสารอ้างอิง

เพื่อให้การจัดการความร้อนภายในองค์กรของคุณเป็นมาตรฐานเดียวกัน และเพื่อให้มั่นใจว่าการออกแบบฮีทซิงค์ของคุณตรงตามเกณฑ์การทดสอบทางอุตสาหกรรมที่เข้มงวด โปรดอ้างอิงถึงมาตรฐานทางวิศวกรรมต่อไปนี้:

1. วารสาร IEEE ว่าด้วยส่วนประกอบ บรรจุภัณฑ์ และเทคโนโลยีการผลิต
   วารสารวิชาการชั้นนำที่ผ่านการตรวจสอบโดยผู้ทรงคุณวุฒิสำหรับวิศวกรเครื่องกลและวิศวกรไฟฟ้า ซึ่งนำเสนอรายละเอียดเกี่ยวกับความก้าวหน้าล้ำสมัยในด้านการระบายความร้อนด้วยการเปลี่ยนสถานะ ห้องไอ และรูปทรงเรขาคณิตของฮีทซิงค์แบบไมโครฟลูอิดิก.
   ลิงก์: อีไออีเอ็กซ์พลอเร
2. ASHRAE (สมาคมวิศวกรด้านความร้อน การทำความเย็น และการปรับอากาศแห่งอเมริกา) TC 9.9
   แนวทางปฏิบัติที่ชัดเจนสำหรับการจัดการความร้อนในระดับมหภาค กำหนดขอบเขตการทำงานของสภาพแวดล้อม ข้อกำหนดด้านการไหลของอากาศ และโครงสร้างพื้นฐานการระบายความร้อนที่จำเป็นสำหรับศูนย์ข้อมูลขนาดใหญ่และตู้เซิร์ฟเวอร์ที่ใช้ฮีทซิงค์ความหนาแน่นสูง.
   ลิงก์: ASHRAE.org