Cum să alegeți materialul carcasei din aluminiu cu proprietăți diferite de disipare a căldurii pentru produsele electronice

În lumea electronicelor-de înaltă performanță, căldura este ucigașul tăcut suprem. Pe măsură ce componentele se micșorează și densitățile de putere cresc, „bugetul termic” al unui dispozitiv dictează adesea succesul sau eșecul acestuia. Pentru ingineri și designeri de produse, selectarea corectăcarcase electronice din aluminiunu mai este doar despre estetică sau integritate structurală-este o decizie critică de management termic.

Aluminiul este standardul din industrie dintr-un motiv: oferă un raport excepțional de rezistență{0}}la-greutate și, cel mai important, o conductivitate termică ridicată. Cu toate acestea, nu tot aluminiul este creat la fel. De la compoziția aliajului la procesul de fabricație și finisarea suprafeței, fiecare variabilă modifică modul în care căldura se deplasează de la PCB la aerul ambiant.

1. Fizica de ce câștigă aluminiul

Înainte de a alege un aliaj, este esențial să înțelegem de ce folosim aluminiu față de alte materiale precum oțelul sau plasticul. ConformFundamentele transferului de căldură și masăde Incropera și DeWitt, eficiența unui radiator sau a unei incinte depinde în mare măsură de conductibilitatea sa termică (κ).

• Policarbonat/ABS ≈0.2 W/m·K
• Oțel inoxidabil 304 ≈16 W/m·K
• Aliaje de aluminiu ≈ 90 – 230 W/m·K

Capacitatea aluminiului de a deplasa căldura este de aproape 15 ori mai mare decât oțelul inoxidabil și de sute de ori mai mare decât plasticul. Când găzduiești componentele încarcase electronice din aluminiu, întregul șasiu devine un „diversător de căldură”, mărind suprafața efectivă pentru convecție.

2. Selectarea aliajelor: schimbul dintre conductivitate și fabricabilitate-

În industria carcasei, trei familii specifice de aliaje domină peisajul. Alegerea dintre ele necesită echilibrarea performanței termice cu complexitatea designului dvs.

6063 Aluminiu: Regele extrudarii

Dacă designul dvs. necesită aripioare de răcire integrate, 6063 este candidatul dvs. principal. Deseori denumit „aluminiu arhitectural”, este extrem de extrudabil.

• Conductivitate termică≈ 200-210 W/m·K.
• Cel mai bun pentru:Radiatoare de căldură, carcase LED și carcase modulare cu montare în rack-.
• De ce:Conținutul său ridicat de siliciu și magneziu este optimizat pentru „împingere” prin matrițe, menținând în același timp căi termice excelente.

6061 Aluminiu: puterea structurală

Când carcasa dumneavoastră trebuie să reziste la solicitări mecanice mari sau necesită prelucrare CNC extinsă, 6061 este standardul.

• Conductivitate termică≈ 150-170 W/m·K.
• Cel mai bun pentru:Componente aerospațiale, computere industriale robuste și frezate-din-carcase solide (billet).
• De ce:În timp ce conductivitatea sa termică este cu aproximativ 20% mai mică decât 6063, forța sa superioară o face indispensabilă pentru carcasele de protecție.

ADC12 / A380 (aliaje-de turnare sub presiune)

Pentru producția de-volum mare cu geometrii 3D complexe, turnarea sub presiune este cea mai-metodă rentabilă. Cu toate acestea, există o „taxă termică” pentru utilizarea aliajelor de turnare.

Conductivitate termică≈ 90-100 W/m·K.

Cel mai bun pentru:ECU pentru automobile, echipamente de telecomunicații și electronice de larg consum.

De ce:Conținutul ridicat de siliciu (până la 12%) necesar pentru ca metalul topit să curgă în matrițe complicate perturbă rețeaua cristalină a aluminiului, reducând semnificativ capacitatea acestuia de a conduce căldura în comparație cu aliajele forjate. [1]

3. Impactul proceselor de fabricație asupra rezistenței termice

Modul în care vă construițicarcase electronice din aluminiucreează „Rezistențe de interfață termică”. În termodinamică, rezistența termică totală a unui sistem este suma părților individuale:

Dacă o incintă este făcută din mai multe plăci prinse împreună, golurile microscopice dintre aceste plăci acționează ca izolatori.

1. Prelucrat CNC (monolitic):Sculptul unei incinte dintr-un singur bloc de 6061 oferă cea mai scăzută rezistență termică, deoarece nu există îmbinări. Căldura curge fără probleme de la plint către pereții exteriori.

2. extrudat (pe baza-profil):„Manșoanele” extrudate oferă căi de căldură laterale excelente, dar necesită plăci de capăt{0}}. Dacă componenta-generatoare de căldură este montată pe o placă-de capăt, mai degrabă decât pe profilul principal, eficiența scade.

3. Distribuție-:În timp ce conductivitatea materialului este mai mică, capacitatea de a turna știfturi „integrale” și aripioare complexe direct pe șasiu poate compensa adesea valoarea κ mai mică a materialului prin creșterea drastică a suprafeței pentru convecție.

4. Tratarea suprafeței: radiații și emisivitate

O concepție greșită comună în industrie este că finisarea suprafeței este doar pentru „aspect”. În realitate, finisajul îl determină pe cel al incinteiemisivitate, care este capacitatea de a emite energie prin radiație.

PotrivitConsiliul de anodizare din aluminiu, aluminiul gol are o emisivitate extrem de scăzută (≈ 0,05), ceea ce înseamnă că este groaznic la radiarea căldurii.

• Anodizare (clară sau neagră):Acest proces creează un strat de oxid poros care poate crește emisivitatea la ≈ 0,80 – 0,90. În ciuda miturilor comune, culoarea are un efect neglijabil asupra performanței termice în mediile interioare; cu toate acestea,Anodizare neagraeste preferat pentru aplicații în aer liber pentru a gestiona mai bine absorbția solară și radiația infraroșie. [2]
• Acoperire cu pulbere:Deși versatil din punct de vedere estetic, acoperirea cu pulbere este în esență un strat de plastic. Acționează ca un izolator termic.
• Conversie cromat (Alodine/Chem-film):Excelent pentru menținerea conductivității electrice (împământare), oferind în același timp rezistență moderată la coroziune, fără izolarea termică a unui strat de pulbere gros.

5. Optimizare geometrică: aripioare și grosimea peretelui

„Eficiența aripioarelor” este un calcul critic în proiectarea radiatorului. Dacă aripioarele sunt prea lungi și subțiri, vârfurile devin inutile deoarece căldura nu le poate ajunge. Dacă sunt prea groase, reduc spațiul disponibil pentru fluxul de aer.

ÎnProiectare carcase pentru electronice(o referință în industrie de către Scott, 2012), se observă că, pentru convecția naturală, distanța dintre aripioare este mai importantă decât înălțimea aripioarelor. Dacă aripioarele sunt distanțate la mai puțin de 6-8 mm, „straturile limită” ale aerului se suprapun, sufocând fluxul de aer și provocând supraîncălzirea dispozitivului. [3]

Când vă proiectațicarcase electronice din aluminiu, luați în considerare orientarea. Căldura crește; prin urmare, aripioarele verticale vor depăși întotdeauna aripioarele orizontale într-un mediu de convecție naturală.

6. Rezumat: Matricea deciziei

Concluzie

Alegerea materialului potrivit pentrucarcase electronice din aluminiueste o provocare de inginerie multidimensională. Înțelegând că carcasa nu este doar o „cutie”, ci o componentă activă a circuitului dvs. termic, puteți prelungi semnificativ durata de viață a dispozitivelor electronice și puteți preveni defecțiunile costisitoare de câmp.

Referințe

• [1] Transferul de căldură: o abordare practică, Yunus A. Çengel.
• [2] Tratarea suprafeței și finisarea aluminiului și aliajelor sale, PG Sheasby și R. Pinner.
• [3] Tehnici de răcire pentru echipamente electronice, Dave S. Steinberg.