Mengapa heatsink isolasi elektrik sangat jarang? Apakah hanya biaya?

Sunting: Tampaknya pertanyaan awal saya (Mengapa tidak ada heatsink isolasi?) Didasarkan pada premis yang salah, dan sebenarnya ada isolasi heatsink - Saya hanya tidak dapat menemukan mereka dengan pencarian sepintas. Jadi sebagai gantinya, saya mengubah ini untuk bertanya tentang kelangkaan mereka sebagai gantinya.

Heatsink tampaknya hampir secara universal terbuat dari aluminium, tembaga, atau kombinasi keduanya. Ini masuk akal; aluminium dan tembaga mudah digunakan dan memiliki konduktivitas termal yang tinggi. Tetapi berlian memiliki salah satu konduktivitas termal tertinggi dari setiap zat yang dikenal - jelas, tentu saja, berlian dari jenis yang cocok untuk digunakan sebagai heatsink akan menjadi sangat mahal untuk sedikitnya, karena mungkin harus menjadi satu kristal berkualitas permata, tetapi apakah itu tidak mungkin untuk digunakan, misalnya, boron nitrida kubik, yang memiliki konduktivitas termal yang serupa?

Dan ya, kesulitan pembuatan dengan membuat kristal tunggal besar c-BN mungkin akan sama dengan membuat kristal berlian tunggal yang besar, tapi saya berharap harga akhirnya tidak akan sebanyak karena tidak ada grup De Beers untuk datang setelah Anda untuk boron nitrida. Dan tentu saja ada senyawa bukan logam lainnya yang memiliki konduktivitas panas yang baik, dan beberapa dari mereka mungkin akan lebih cocok untuk diproduksi. Saya ragu mereka bahkan dapat mendekati titik harga aluminium ekstrusi, tetapi kadang-kadang Anda memang membutuhkan kinerja yang lebih tinggi.

Jadi, secara ringkas, pertanyaan saya adalah: Apakah hanya biaya yang membuat heatsink nonlogam sangat jarang, atau ada beberapa kelemahan lain yang membuatnya kurang diinginkan di luar aplikasi yang paling esoterik?

Satu hal yang tampaknya tidak dijawab oleh jawaban lain adalah Anda hanya membutuhkan lapisan isolator listrik yang sangat tipis (pada voltase sedang) sementara bagian penyebar panas pada pendingin berfungsi paling baik jika tebal. Jadi lebih efisien untuk menggunakan penghalang isolasi listrik tipis diikuti oleh heatsink logam tebal, murah, dan mudah dibuat daripada menggunakan sepotong bahan yang konduktif termal dan isolasi listrik. Beberapa bahan yang ada (seperti berlian) tidak dapat diekstrusi atau dengan mudah dibentuk menjadi bentuk heatsink. Beberapa dapat disinter tetapi sintering umumnya tidak dapat mencapai konduktivitas termal dari material curah. Efek rekayasa dari semua ilmu material ini adalah bahwa kita pada akhirnya melakukan apa yang selalu kita lakukan.

Faktor lain adalah kebijakan stok: dengan menimbun heatsink besar yang kuat dan jumlah yang lebih kecil (karena tidak selalu diperlukan) bantalan isolasi kecil yang halus stok Anda menempati ruang penyimpanan dan modal lebih sedikit daripada jika Anda menebar dua jenis heatsink besar. Biaya dan kinerja keduanya lebih baik tanpa insulator saat tidak diperlukan.

Ini bukan masalah baru; kita yang dari usia tertentu ingat heatsink dengan insulator mika untuk paket TO-220 dan TO-3.

Masalahnya (pada saat itu) adalah biaya material dan ketersediaan dan ilmu material. Kami telah jauh dalam pemahaman kami tentang konduktivitas termal dari berbagai senyawa selama bertahun-tahun, tetapi masih relatif teknologi baru (ada hal-hal seperti bantalan konduktif termal yang telah ada selama beberapa dekade tetapi tidak benar-benar heat sink di mereka sendiri Baik).

TO-220 memiliki penyebar panas pada kolektor / tiriskan perangkat, yang biasanya pada tegangan tinggi, sehingga pengaturan umum menggunakan teknik ini:

Sumber .

Itu tidak biasa untuk menggunakan beberapa pasta termal juga untuk memaksimalkan perpindahan panas.

Sekarang itu tidak benar-benar menjelaskan kelangkaan relatif dari heatsink terisolasi terintegrasi; yang benar-benar bermuara pada 'apakah perlu' atau dapatkah saya menggunakan metode heat sink yang terkenal dan bahan penghalang isolasi elektrik yang lebih murah (setidaknya, sekarang ini).

Metode lama yang dicoba dan benar telah berfungsi dengan baik selama beberapa dekade, tetapi untuk beberapa aplikasi (terutama yang di perangkat kecil) solusi seperti itu mungkin tidak cocok.

Ada cukup beberapa persembahan tersedia , tetapi mereka cenderung sedikit lebih mahal (pada basis per watt). Ada juga banyak penelitian tentang bahan lain .

Tentu saja, untuk faktor bling, Anda bisa menggunakan ini .

Jadi turun ke sejumlah hal dan biaya adalah pendorong utama. Saya juga akan mencatat bahwa pasar besar untuk heat sink adalah untuk CPU dan GPU di mana case IC terisolasi secara elektrik.

Heatsink polimer layak disebutkan. Heatsink polimer tidak biasa. Saya menemukan polimer heat sink industri, otomotif, barang prosumer sesekali. Mereka sering sulit dikenali sebagai heatsink, karena mereka dapat memiliki tujuan mekanis kedua (selungkup, braket, reflektor lampu). Heat sink ini selalu merupakan bagian cetakan-custom.

$\mathrm{20 \frac {W} {m\cdot K} }$$\mathrm{200 \frac {W} {m\cdot K} }$

E2 adalah plastik ( sumber )

Beberapa diskusi tambahan dalam jawaban lama ini .

Satu hal tentang heat sink adalah bahwa hanya ada dua cara untuk membuang panas, konduksi dan radiasi.

Jadi pada akhirnya, dengan asumsi emisivitas Anda cukup dekat dengan 1 (Hanya sangat penting jika Anda dapat menjalankan HOT, kehilangan daya ke radiasi adalah kekuatan ke-4 dari suhu absolut), dan Anda dapat membuat benda itu memiliki kontak termal yang baik dengan media pendingin di sekitarnya (Air , air, apa pun), apa yang Anda buat hanya dari masalah kecil (Antarmuka itu adalah pembunuh kinerja, bukan konduktivitas termal massal heatsink).

Sekarang jelas Anda perlu merancang heatsink sehingga panas mengalir melalui itu cukup efisien dan di daerah di mana ada banyak kepadatan fluks daya yang mungkin berdebat untuk sesuatu yang lain selain sekutu, untuk sebagian besar hal di mana Anda memiliki banyak logam untuk menjaga delta T rendah, termurah adalah yang terbaik.

Untuk penyebar panas atau mesin cuci isolasi tentu saja berbeda, penyebar panas secara definisi digunakan di mana kerapatan fluks daya sangat tinggi dan resistansi termal minimal adalah hal yang sangat baik, karenanya penggunaan tembaga yang biasa dalam peran ini.

Untuk isolator Anda melihat bahan eksotis digunakan, karena konduktor termal yang baik yang juga merupakan isolator listrik tidak begitu umum, jadi Boron Nitride, Alumina, Beryllium Oxide (!) Dan sejenisnya semua melihat layanan di sini, dan saya tidak akan dikejutkan oleh seseorang yang menggunakan berlian (Mungkin di beberapa perangkat RF aneh).

Dari sudut pandang teknis, sangat mungkin untuk membuat heatsink dengan bantalan isolator bawaan. Alasan mereka tidak melakukannya adalah karena ekonomi.

Di antara berbagai pilihan mekanik, listrik, dan termal, ada banyak kombinasi berbeda. Jika isolator dan heatsink adalah satu bagian maka vendor harus menyediakan nomor bagian yang lebih unik.

Dengan memasukkan isolator dan heat sink ke dalam produk unik, pengguna memiliki lebih banyak pilihan.

Berikut adalah beberapa hal yang perlu dipertimbangkan.

1) Dalam banyak kasus, pengguna akan menggunakan bantalan celah antara heat-sink dan komponen-komponen panas untuk mengurangi kelonggaran dalam toleransi mekanik. Ini berarti bahwa setiap pengguna akan menginginkan bantalan menjadi ketebalan yang berbeda.

2) Bahan pad isolator termal bervariasi dalam seberapa baik mereka dapat menyesuaikan dengan permukaan kasar. Sering ada pertukaran antara seberapa licinnya bahan dan seberapa baik menghantarkan panas.

3) Pengguna yang berbeda akan memiliki persyaratan isolasi yang berbeda dalam hal tegangan. Ada trade off antara tegangan isolasi, ketebalan material dan resistansi termal.

3) Menambahkan insulator antara heat-sink dan bagian memiliki penalti dalam hal ketahanan termal. Jika mungkin untuk tidak menggunakan lapisan isolasi maka Anda akan mendapatkan kinerja termal terbaik dalam kasus itu.

Kompromi terbaik adalah membuat lapisan luas permukaan yang sangat tipis dengan Tegangan tinggi [kV / mm] dengan kekerasan yang cukup untuk tidak dipotong atau ditusuk tetapi juga harus berbiaya rendah.

Karakteristik isolator termal konduktif meliputi;

Cost-effective
Resistant to tears and cut-through
High dielectric strength
UL94 VO rated options available
Low ageing rate: Pads do not dry out, ooze out or crack  
Gap Filling, if burrs, roughness or planarity is a problem
Compatibility (gas sensors must be non-silicone and LED interfaces must be non-organic)
Low dielectric constant for capacitance load on collector/drain tabs on high dV/dt high voltage drivers

Semua isolator listrik adalah "dielektrik". Semua heatsink adalah konduktor termal yang baik.
Namun dalam makanan padat, bisa mahal untuk memiliki keduanya sebagai karakteristik yang baik.
Perubahan fase bahan yang mengubah fluida di bawah tekanan untuk membuat solusi yang mungkin.

CPU cenderung menggunakan keramik-kaca sebagai bagian atas termal ke heatsink karena sifatnya yang sangat datar.

Untuk Triacs tegangan saluran, Mica adalah bahan terbaik untuk perlindungan pulsa 5kV dan konduksi termal dengan pelumas termal.

Cairan dielektrik seperti minyak transformator juga merupakan isolator termal yang baik dengan aliran panas.

Angka manfaat untuk membandingkan bahan Penggunaan isolator konduktif termal;

Konduktivitas Termal [W / mK] ,
ketebalan [um] , kekerasan pantai [00] ,
Kekuatan Dielektrik [kV / mm] dan
Impedansi Termal [˚C-cm² / W]

$\frac{V}{mm} \cdot \frac{°C\cdot mm}{W}$$\frac{kV}{mm} /\frac{W}{m-K}$.

Solusi tradisional; telah Mika, pita 3M dan beberapa kaset polimer.

Solusi ekonomis terbaik Aavid Thermalloy adalah:

Thermalsil III

  uses finely woven glass cloth with a silicone elastomer binder 0.152mm thick
  Dielectric Strength :  26 kV/mm     
  Thermal Conductivity: 0.92 W/m'C   
  UL 94V-0

Untuk pemindahan panas udara paksa, bukanlah CFM yang diperhitungkan, tetapi sering dilaporkan, melainkan kecepatan udara permukaan turbulen yang mengontrol pendinginan dalam rata-rata [m / s].

Produk dari kedua parameter ini mengarah pada sifat material terbaik tetapi bukan yang termurah.

Sebenarnya, ada solusi yang baik: Aluminium. Aluminium anodized. Anodisasi mengubah permukaan menjadi Aluminium Oxide, yang merupakan isolator. Berita Baik: Area permukaan ditingkatkan untuk membantu menghantarkan panas ke udara sekitar; Berita Buruk bukan permukaan datar dan halus untuk menghubungi perangkat daya yang membuat panas. Solusi: Thermal Compound (alias "Gemuk"). Catatan penting: ada beberapa proses untuk menganalisis aluminium. Sebagian besar barang cantik adalah "Kelas I" yang lunak atau "Kelas II" yang cukup sulit. Anda dapat menggunakan Kelas II Jika tidak ada gerakan relatif perangkat yang akan didinginkan dan terpasang erat ke unit pendingin dan tidak ada gerinda atau goresan, ini bekerja dengan baik. Terlalu banyak " jika " & ""Ini untukmu? Lalu anodisasi" Kelas III "adalah yang kamu inginkan. Cenderung tidak merata dan hitam memiliki rona kecoklatan atau keunguan. Hampir sekeras berlian, dan cukup banyak bukti goresan. Masih butuh minyak, tetapi tidak ada isolator pada tegangan yang masuk akal. Militer & kedirgantaraan telah menggunakan ini selama lebih dari 50 tahun, baik sebagai mesin cuci anodized yang tipis (~ 0,025 ") (mirip dengan die isolator mica TO-3) atau seluruh selungkup (misal misil). Sulit untuk menemukan sekarang-a-hari dan biaya lebih banyak daripada solusi lain, tetapi melakukan pekerjaan dengan baik.

Untuk "lemak", gunakan silikon (bukan berbasis minyak bumi), Aluminium Oksida (bukan Seng Oksida) dari Dow, Shin-Etsu, Fuji-Poly, atau Saint-Gobain. Butik berbasis perak dan tembaga untuk penggunaan gamer PC overclocking mahal dan konduktif. Ini tidak masalah dengan anodisasi Kelas III, asalkan tidak bermigrasi, jatuh, kering, bubuk atau serpihan, dll. Ke barang-barang pembawa saat ini (hanya jangan menggunakannya). Jika Anda benar-benar perlu memasangkan banyak panas dengan minyak, Beryllium Oxide beberapa kali lebih baik daripada Aluminium Oxide. Perlakukan saja seperti asbes: jangan menjilatnya, jangan memakannya, jangan menghirupnya. Ini adalah iritasi kulit, jadi kenakan sarung tangan, dan bersiap untuk serangan "perburuan penyihir beracun". Pelumas ini hanya perlu tebal 0,0001 "hingga 0,0005" di bawah perangkat (semacam tembus cahaya). Oleskan dengan squeegee plastik atau logam kecil; untuk volume produksi gunakan stensil (jenis bahan stensil yang sama seperti yang digunakan untuk pasta solder ~ 0,005 "SS) dan squeegee.

Saya telah melihat heat-sink dengan lapisan keramik tipis di area pemasangan, tetapi perbedaan Cte adalah masalah dan dapat memecahkan keramik tipis.

Semoga ini bisa membantu, saya mendapat ini dari> 40 tahun berkeliaran antara elektron dan lubang elektron.

Secara keseluruhan saya menduga bahwa menghindari "keausan" di lapangan dan penggantian yang mahal akibatnya adalah alasan utama untuk aplikasi umum menghindari heatsink kristal. Tidak mengatakan bahwa heatsink logam tidak pernah gagal di lapangan. Tapi secara umum penggantian heatsink logam di lapangan akan jauh lebih murah dan membutuhkan peralatan yang jauh lebih sedikit dibandingkan dengan heatsink kristal.

Itu pada awalnya kristal heatsink umumnya akan mahal untuk mesin untuk membentuk dan beberapa kerusakan yang tepat akan terjadi karena stres termal dan mekanik. Anda mungkin masih berada dalam total biaya yang dapat diterima jika semua itu terjadi di pabrik heatsink khusus. Tapi itu tidak biasa bagi produsen aplikasi akhir perlu memotong heatsink agar sesuai dll.

Kedua sekali dalam aplikasi lapangan, banyak heatsink mengalami guncangan dan getaran termal dan mekanis yang mungkin berada di luar tingkat kelangsungan hidup 100% untuk heatsink kristal. Heatsink logam tua yang baik di sisi lain dapat mengambil sedikit pelecehan dan melenturkan. Beberapa bahkan berfungsi sebagai titik penambat mekanis ke sasis luar dari rakitan yang lebih besar.

Juga dalam hal kristal heatsink pengencang mungkin menjadi titik kegagalan bukan heatsink. Pengikat yang lebih lembut akan meredam kerusakan getaran pada heatsink tetapi sebaliknya secara bertahap digerus oleh getaran dan pelenturan yang sama.

Jadi heatsink kristal mungkin akan menjadi item perbaikan sesekali di lapangan ... dengan asumsi smart thermal shutdown dan alert. Sekarang pikirkan alat khusus apa yang dibutuhkan di lapangan dan tingkat kerusakan seperti apa yang mungkin berlaku ketika teknologi rata-rata Anda mencoba menangani penggantian. Saya yakin heatsink akan menjadi sesuatu yang oleh banyak korps, pemerintah, dan pelanggan swasta akan mengharapkan teknologi lokal untuk menangani meskipun bukan sirkuit. Hanya pekerjaan kunci pas bukan?