ข้อดีข้อเสียของวัสดุฮีทซิงค์ ทองแดง vs อะลูมิเนียม: เปรียบเทียบ

เนื่องจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มีขนาดกะทัดรัดและมีประสิทธิภาพสูงมากขึ้น การจัดการระบายความร้อนจึงกลายเป็นความท้าทายทางวิศวกรรมที่สำคัญ แผงระบายความร้อน—ฮีโร่ที่ไม่มีใครพูดถึงในการควบคุมความร้อน—มีบทบาทสำคัญในการรักษาความเสถียรของอุปกรณ์และอายุการใช้งานที่ยาวนานโดยการถ่ายโอนความร้อนจากส่วนประกอบไปยังสภาพแวดล้อมโดยรอบ การเลือกใช้วัสดุจะเป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพของแผงระบายความร้อนโดยพื้นฐาน โดยมีทองแดงและอลูมิเนียมเป็นผู้นำตลาด การวิเคราะห์นี้จะตรวจสอบคุณสมบัติ ข้อดีข้อเสีย กลยุทธ์การใช้งาน และทางเลือกใหม่ๆ เพื่อเป็นแนวทางในการตัดสินใจทางวิศวกรรม

แผงระบายความร้อนทำหน้าที่เป็นตัวพาความร้อน ต้องการวัสดุที่มีการนำความร้อนเป็นพิเศษ โดยวัดเป็นวัตต์ต่อเมตร-เคลวิน (W/m·K) อลูมิเนียมและทองแดงครองพื้นที่นี้ โดยแต่ละแห่งมีข้อดีที่แตกต่างกันออกไป

คิดเป็นประมาณ 80% ของแผงระบายความร้อนเชิงพาณิชย์ อลูมิเนียมอัลลอยด์ เช่น A6061 (167 W/m·K) และ A6063 มีอิทธิพลเหนือคุณสมบัติที่เอื้ออำนวยร่วมกัน:

• ประสิทธิภาพน้ำหนัก:ที่ 2.7 กรัม/ซม. อะลูมิเนียมมีน้ำหนักหนึ่งในสามของทองแดง ทำให้เหมาะสำหรับอุปกรณ์เคลื่อนที่และการใช้งานด้านการบินและอวกาศ
• ความคล่องตัวในการผลิต:กระบวนการอัดขึ้นรูปช่วยให้สามารถออกแบบครีบที่ซับซ้อนได้ด้วยต้นทุนที่ต่ำ ด้วยความเร็วในการผลิตสูงถึง 60 เมตรต่อนาที
• ความต้านทานการกัดกร่อน:ชั้นเนทีฟออกไซด์ให้การปกป้อง เสริมประสิทธิภาพด้วยเทคนิคอโนไดซ์ที่มีความหนา 15-25μm
• ความมีชีวิตทางเศรษฐกิจ:ความอุดมสมบูรณ์ของอะลูมิเนียมทำให้ต้นทุนวัสดุต่ำกว่าทองแดงต่อหน่วยปริมาตรถึง 60-70%

• 6061:เหมาะสมที่สุดสำหรับแผงระบายความร้อนแบบกลึง (ความต้านทานแรงดึง: 124 MPa)
• 6063:เหมาะสำหรับการออกแบบที่อัดขึ้นรูป (ค่าการนำความร้อน: 201 W/m·K)
• 1,050:ค่าการนำไฟฟ้าสูงสุด (229 W/m·K) สำหรับการใช้งานเฉพาะกลุ่ม

แม้ว่าจะมีสัดส่วนน้อยกว่า 15% ของตลาด แต่ค่าการนำไฟฟ้าที่ไม่มีใครเทียบได้ของทองแดง (401 W/m·K) ทำให้ทองแดงเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้สำหรับสถานการณ์ที่มีประสิทธิภาพสูง:

• ข้อได้เปรียบทางความร้อน:ลดความต้านทานความร้อนได้ 40-50% เมื่อเทียบกับอะลูมิเนียมที่มีดีไซน์เทียบเท่า
• ความสมบูรณ์ของโครงสร้าง:รักษาเสถียรภาพทางกลที่อุณหภูมิเกิน 200°C

ข้อจำกัดที่สำคัญได้แก่:

• บทลงโทษน้ำหนัก:ความหนาแน่น 8.9 g/cm³ ทำให้การใช้งานแบบพกพามีความซับซ้อน
• ความเสี่ยงต่อการเกิดออกซิเดชัน:ต้องชุบนิกเกิล (5-10μm) เพื่อป้องกันการกัดกร่อน
• ต้นทุนพรีเมี่ยม:วัสดุมีราคาสูงกว่าอลูมิเนียม 3-4 เท่า

การผสมผสานระหว่างทองแดงและอลูมิเนียมที่เป็นนวัตกรรมใหม่ช่วยยกระดับการนำไฟฟ้าของทองแดงที่แหล่งความร้อนพร้อมกับคุณสมบัติน้ำหนักเบาของอลูมิเนียมในที่อื่น เทคนิคการติดขั้นสูง—รวมถึง:

• การเชื่อมด้วยระเบิด
• แรงเสียดทาน-กวนเข้าร่วม
• พันธะเฟสของเหลวชั่วคราว

—สามารถต้านทานความร้อนบริเวณพื้นผิวได้ต่ำกว่า 0.05 ซม.²·K/W

วิธีการผลิตส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อประสิทธิภาพการระบายความร้อน:

• ความหนาแน่นของครีบสูงถึง 40 ครีบ/นิ้ว
• ความหนาของฐานเปลี่ยนแปลง <0.05 มม
• ความหยาบผิว Ra <1.6μm

โซลูชันยุคถัดไปแก้ไขข้อจำกัดของโลหะแบบดั้งเดิม:

• คอมโพสิตคาร์บาอัล:ส่วนผสมคาร์บอน 80%/อะลูมิเนียม 20% ให้ค่าการนำไฟฟ้า 450 W/m·K ที่ความหนาแน่นคล้ายอะลูมิเนียม
• แอนไอโซทรอปิกกราไฟท์:ค่าการนำไฟฟ้าในระนาบเกิน 1500 W/m·K สำหรับการกระจายความร้อนแบบทิศทาง
• การออกแบบห้องไอ:ค่าการนำความร้อนที่มีประสิทธิภาพ >5000 W/m·K ในการกำหนดค่าที่ได้รับการปรับปรุงให้เหมาะสม

การเลือกวัสดุที่เหมาะสมที่สุดจำเป็นต้องมีการประเมิน:

1. โหลดความร้อน:คำนวณ θ_เจข้อกำหนดขึ้นอยู่กับส่วนประกอบ TDP
2. ฟอร์มแฟกเตอร์:คำนึงถึงข้อจำกัดด้านปริมาณและการไหลของอากาศที่มีอยู่
3. ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม:พิจารณาข้อกำหนดด้านความชื้น การสั่นสะเทือน และ EMI
4. ต้นทุนตลอดอายุการใช้งาน:ประเมินความเป็นเจ้าของทั้งหมดรวมถึงการผลิตและการบำรุงรักษา

ภูมิทัศน์การจัดการระบายความร้อนยังคงพัฒนาต่อไปเนื่องจากความหนาแน่นพลังงานของอุปกรณ์ดันเกิน 100W/cm² ในขณะที่อลูมิเนียมยังคงเป็นตัวเลือกในทางปฏิบัติสำหรับการใช้งานส่วนใหญ่ ประสิทธิภาพที่เหนือกว่าของทองแดงแสดงให้เห็นถึงความพรีเมียมในระบบที่สำคัญ วัสดุคอมโพสิตที่เกิดขึ้นใหม่และเทคนิคการผลิตขั้นสูงสัญญาว่าจะกำหนดความสามารถในการระบายความร้อนใหม่ เพื่อให้มั่นใจว่าโซลูชั่นระบายความร้อนจะก้าวทันความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี