مس (مس) در مقابل آلومینیوم (آلومینیوم) مواد هیت سینک: مقایسه مزایا و معایب

با فشرده‌تر و پربازده‌تر شدن دستگاه‌های الکترونیکی، مدیریت حرارتی به یک چالش مهندسی حیاتی تبدیل شده است. هیت سینک‌ها—قهرمانان گمنام تنظیم حرارت—نقشی محوری در حفظ پایداری و طول عمر دستگاه‌ها با انتقال گرما از اجزا به محیط اطراف ایفا می‌کنند. انتخاب مواد اساساً راندمان هیت سینک را تعیین می‌کند، که در این میان مس و آلومینیوم در بازار پیشرو هستند. این تحلیل، خواص، مبادلات، استراتژی‌های کاربردی و جایگزین‌های نوظهور آن‌ها را برای هدایت تصمیمات مهندسی بررسی می‌کند.

هیت سینک‌ها که به عنوان انتقال‌دهنده‌های حرارتی عمل می‌کنند، به موادی با رسانایی حرارتی استثنایی—که بر حسب وات بر متر-کلوین (W/m·K) اندازه‌گیری می‌شود—نیاز دارند. آلومینیوم و مس در این فضا غالب هستند و هر کدام مزایای متمایزی را ارائه می‌دهند.

آلیاژهای آلومینیوم مانند A6061 (167 W/m·K) و A6063 که تقریباً 80٪ از هیت سینک‌های تجاری را تشکیل می‌دهند، از طریق ترکیبی از ویژگی‌های مطلوب غالب هستند:

• بهره‌وری وزن: آلومینیوم با 2.7 گرم بر سانتی‌متر مکعب، یک سوم وزن مس را دارد و آن را برای دستگاه‌های تلفن همراه و کاربردهای هوافضا ایده‌آل می‌کند.
• تنوع تولید: فرآیندهای اکستروژن، طراحی‌های پیچیده پره را با هزینه کم امکان‌پذیر می‌کنند، به طوری که سرعت تولید به 60 متر در دقیقه می‌رسد.
• مقاومت در برابر خوردگی: لایه های اکسید بومی محافظت را فراهم می کنند که توسط تکنیک های آنودایزینگ با ضخامت 15-25 میکرومتر افزایش می یابد.
• دوام اقتصادی: فراوانی آلومینیوم، هزینه‌های مواد را 60 تا 70 درصد کمتر از مس در واحد حجم نگه می‌دارد.

• 6061: بهترین برای هیت سینک‌های ماشین‌کاری شده (مقاومت کششی: 124 مگاپاسکال)
• 6063: ترجیح داده شده برای طرح‌های اکسترود شده (رسانایی حرارتی: 201 W/m·K)
• 1050: حداکثر رسانایی (229 W/m·K) برای کاربردهای خاص

در حالی که کمتر از 15٪ از بازار را نشان می‌دهد، رسانایی بی‌نظیر مس (401 W/m·K) آن را برای سناریوهای با کارایی بالا ضروری می‌کند:

• مزیت حرارتی: مقاومت حرارتی را 40-50٪ در مقایسه با آلومینیوم در طرح‌های معادل کاهش می‌دهد.
• یکپارچگی ساختاری: پایداری مکانیکی را در دماهای بیش از 200 درجه سانتی‌گراد حفظ می‌کند.

محدودیت‌های مهم عبارتند از:

• جریمه وزن: چگالی 8.9 گرم بر سانتی‌متر مکعب، کاربردهای قابل حمل را پیچیده می‌کند
• آسیب‌پذیری اکسیداسیون: برای محافظت در برابر خوردگی به آبکاری نیکل (5-10 میکرومتر) نیاز دارد
• هزینه اضافی: هزینه‌های مواد 3-4 برابر بیشتر از آلومینیوم است

ترکیبات نوآورانه مس و آلومینیوم از رسانایی مس در منابع حرارتی و از خواص سبک وزن آلومینیوم در جاهای دیگر استفاده می‌کنند. تکنیک‌های اتصال پیشرفته—از جمله:

• جوشکاری انفجاری
• اتصال همزن اصطکاکی
• اتصال فاز مایع گذرا

—می‌تواند به مقاومت‌های حرارتی بین سطحی زیر 0.05 سانتی‌متر مربع بر کلوین بر وات دست یابد.

روش‌های تولید تأثیر قابل توجهی بر عملکرد حرارتی دارند:

• تراکم پره تا 40 پره در اینچ
• تغییرات ضخامت پایه <0.05mm
• زبری سطح Ra <1.6μm

راه‌حل‌های نسل بعدی محدودیت‌های فلزات سنتی را برطرف می‌کنند:

• کامپوزیت‌های CarbAl: ترکیبات 80٪ کربن/20٪ آلومینیوم به رسانایی 450 W/m·K در چگالی‌های مشابه آلومینیوم دست می‌یابند
• گرافیت ناهمسانگرد: رسانایی درون صفحه ای بیش از 1500 W/m·K برای پخش حرارت جهت دار
• طرح‌های محفظه بخار: رسانایی حرارتی موثر >5000 W/m·K در پیکربندی‌های بهینه شده

انتخاب مواد بهینه مستلزم ارزیابی است:

1. بار حرارتی: θ را محاسبه کنید _JA الزامات بر اساس TDP اجزا
2. فاکتور فرم: حجم موجود و محدودیت‌های جریان هوا را در نظر بگیرید
3. عوامل محیطی: رطوبت، لرزش و الزامات EMI را در نظر بگیرید
4. هزینه‌های چرخه عمر: مالکیت کل از جمله تولید و نگهداری را ارزیابی کنید

با افزایش تراکم توان دستگاه‌ها به بیش از 100 وات بر سانتی‌متر مربع، چشم‌انداز مدیریت حرارتی همچنان در حال تکامل است. در حالی که آلومینیوم همچنان انتخاب عمل‌گرایانه برای اکثر کاربردها است، عملکرد برتر مس، برتری آن را در سیستم‌های حیاتی توجیه می‌کند. مواد کامپوزیت نوظهور و تکنیک‌های تولید پیشرفته نویدبخش بازتعریف قابلیت‌های هیت سینک هستند و اطمینان می‌دهند که راه‌حل‌های حرارتی با پیشرفت‌های تکنولوژیکی همگام هستند.