Perché i dissipatori di calore ad isolamento elettrico sono così rari? È solo un costo?

Modifica: sembra che la mia domanda iniziale (perché non ci sono dissipatori di calore isolanti?) Era basata su una premessa errata, e in realtà ci sono dissipatori di calore isolanti - non sono riuscito a trovarli con una ricerca superficiale. Quindi, invece, lo sto cambiando per chiedere della loro rarità.

I dissipatori di calore sembrano essere quasi universalmente realizzati in alluminio, rame o una loro combinazione. Questo ha senso; alluminio e rame sono facili da lavorare e hanno un'alta conduttività termica. Ma il diamante ha una delle più alte conduttività termiche di qualsiasi sostanza nota - è ovvio, ovviamente, che il diamante del tipo adatto all'uso come dissipatore di calore sarebbe a dir poco eccessivo, in quanto probabilmente dovrebbe essere un singolo cristallo di qualità gemma, ma non sarebbe possibile utilizzare, ad esempio, nitruro di boro cubico, che ha una conduttività termica simile?

E sì, le difficoltà di produzione con la realizzazione di un grande cristallo singolo di c-BN sarebbero probabilmente le stesse della realizzazione di un grande cristallo singolo di diamante, ma mi aspetto che il prezzo finale non sia tanto perché non esiste un gruppo De Beers vieni a cercare nitruro di boro. E ci sono sicuramente altri composti non metallici che hanno una buona conduttività termica e alcuni presumibilmente sarebbero più adatti alla produzione. Dubito che sarebbero anche in grado di avvicinarsi al prezzo di alluminio estruso, ma a volte hai bisogno di prestazioni più elevate.

Quindi, in sintesi, la mia domanda è: è solo il costo che rende i dissipatori di calore non metallici così rari o ci sono altri svantaggi che li rendono meno desiderabili al di fuori delle applicazioni più esoteriche?

Una cosa che altre risposte non sembrano aver coperto è che hai solo bisogno di uno strato molto sottile di isolante elettrico (a tensioni modeste) mentre la parte del dissipatore di calore di un dissipatore di calore funziona meglio se è spessa. Quindi è più efficiente utilizzare una sottile barriera elettricamente isolante seguita da un dissipatore di metallo spesso, economico e facilmente realizzabile rispetto a utilizzare un singolo pezzo di materiale termicamente conduttivo ed elettricamente isolante. I pochi materiali esistenti (come il diamante) non possono essere estrusi o altrimenti facilmente formati in una forma di dissipatore di calore. Alcuni possono essere sinterizzati ma in genere la sinterizzazione non può raggiungere la conducibilità termica del materiale sfuso. L'effetto ingegneristico di tutta questa scienza dei materiali è che finiamo per fare ciò che abbiamo sempre fatto.

Un altro fattore sono le politiche di borsa: immagazzinando dissipatori voluminosi e robusti e un numero più piccolo (in quanto non sono sempre richiesti) di piccoli cuscinetti isolanti delicati, il tuo magazzino occupa meno spazio di archiviazione e capitale rispetto a se disponessi di due tipi di dissipatore di grandi dimensioni. Costi e prestazioni sono entrambi migliori senza l'isolatore quando non è richiesto.

Questo non è certo un nuovo problema; quelli di noi di una certa età ricordano i dissipatori di calore con isolanti in mica per i pacchetti TO-220 e TO-3.

Il problema (all'epoca) era sia il costo dei materiali che la disponibilità e la scienza dei materiali. Abbiamo fatto molta strada nella nostra comprensione della conduttività termica di vari composti nel corso degli anni, ma è ancora una tecnologia relativamente nuova (ci sono cose come cuscinetti termicamente conduttivi che esistono da decenni ma non sono davvero dei dissipatori di calore nei loro giusto).

Il TO-220 ha lo spargitore di calore sul collettore / scarico del dispositivo, che di solito è a una tensione elevata, quindi la disposizione tipica ha usato questa tecnica:

Fonte .

Non era insolito usare anche della pasta termica per massimizzare il trasferimento di calore.

Ora, ciò non spiega davvero la rarità relativa dei dissipatori di calore integrati integrati; che si riduce a "è necessario" o posso semplicemente usare il noto metodo di un dissipatore di calore e un materiale barriera elettricamente isolante che è meno costoso (almeno, è oggi).

Il vecchio metodo provato e vero ha funzionato bene per molti decenni, ma per alcune applicazioni (in particolare quelle in piccoli dispositivi) una soluzione del genere potrebbe non adattarsi.

Ci sono abbastanza poche offerte disponibili , ma tendono ad essere un po 'più costoso (su una base per watt). C'è anche molta ricerca su altri materiali .

Naturalmente, per il fattore di bling, è possibile utilizzare questi .

Quindi si riduce a una serie di cose e il costo è un fattore determinante. Noterò anche che un grande mercato per i dissipatori di calore è per CPU e GPU in cui il caso dell'IC è comunque isolato elettricamente.

Dissipatori di polimeri meritano una menzione. I dissipatori di calore in polimero non sono così rari. Di tanto in tanto mi imbatto in dissipatori di calore polimerici industriali, automobilistici, prodotti prosumer. Spesso sono difficili da riconoscere come dissipatori di calore, perché possono avere un secondo scopo meccanico (un involucro, una staffa, un riflettore di una lampada). Questi dissipatori di calore sono sempre pezzi stampati ad iniezione personalizzati.

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

E2 è la plastica ( fonte )

Qualche discussione aggiuntiva in questa vecchia risposta .

La cosa su un dissipatore di calore è che ci sono solo due modi per smaltire calore, conduzione e radiazione.

Quindi, in definitiva, supponendo che la tua emmisività sia ragionevolmente vicina a 1 (è davvero importante solo se puoi funzionare CALDO, la perdita di potenza alle radiazioni è la 4a potenza della temperatura assoluta) e puoi fare in modo che la cosa abbia un buon contatto termico con il mezzo di raffreddamento circostante (Aria , acqua, qualunque cosa), ciò che lo fai conta solo un po '(quell'interfaccia è il killer per le prestazioni, non la conduttività termica di massa del dissipatore di calore).

Ora chiaramente è necessario progettare il dissipatore di calore in modo che il calore viaggi attraverso di esso ragionevolmente in modo efficiente e nell'area in cui vi è molta densità del flusso di potenza che potrebbe discutere di qualcosa di diverso dall'alleato, per la maggior parte della cosa in cui si ha un sacco di metallo per mantenere basso il delta T, il più economico è il migliore.

Per uno spargitore di calore o una rondella isolante è diverso ovviamente, per definizione si usano spargitori di calore dove la densità del flusso di potenza è molto alta e la minima resistenza termica è una cosa molto buona, quindi il solito uso del rame in questo ruolo.

Per l'isolatore vedi materiali esotici usati, perché un buon conduttore termico che è anche un isolante elettrico non è così comune, quindi nitruro di boro, allumina, ossido di berillio (!) E simili tutti vedono il servizio qui, e io non sarei scioccato da qualcuno che usa il diamante (probabilmente in qualche strano dispositivo RF).

Dal punto di vista tecnico è certamente possibile produrre dissipatori di calore con cuscinetti isolanti integrati. Il motivo per cui non lo fanno è l'economia.

Tra le diverse scelte meccaniche, elettriche e termiche ci sono molte combinazioni diverse. Se l'isolatore e il dissipatore di calore fossero una parte, i fornitori dovrebbero immagazzinare numeri di parte molto più univoci.

Trasformando isolatore e dissipatore di calore in prodotti unici, l'utente ha molte più possibilità di scelta.

Ecco alcune delle cose da considerare.

1) In molti casi l'utente utilizzerà gli spessori tra i dissipatori di calore e i componenti caldi per assorbire le tolleranze meccaniche. Ciò significa che ogni utente vorrà che il pad abbia uno spessore diverso.

2) I materiali dei cuscinetti isolanti termici variano in base alla capacità di adattamento a superfici ruvide. C'è spesso uno scambio tra quanto sia morbido il materiale e quanto bene conduce il calore.

3) Utenti diversi avranno requisiti di isolamento diversi in termini di tensione. C'è un compromesso tra la tensione di isolamento, lo spessore del materiale e la resistenza termica.

3) L'aggiunta di un isolante tra un dissipatore di calore e una parte ha una penalità in termini di resistenza termica. Se è possibile non utilizzare uno strato isolante, si otterranno le migliori prestazioni termiche in quel caso.

Il miglior compromesso è quello di realizzare uno strato di superficie molto sottile con un'alta tensione nominale [kV / mm] con una durezza sufficiente per non essere tagliato o forato ma deve anche essere a basso costo.

Le caratteristiche dell'isolante termicamente conduttivo includono;

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

Tutti gli isolanti elettrici sono "dielettrici". Tutti i dissipatori di calore sono buoni conduttori termici.
Tuttavia, nei solidi, può essere costoso avere entrambe le buone caratteristiche.
Materiali a cambiamento di fase che trasformano il fluido in pressione per creare una possibile soluzione.

Le CPU tendono a utilizzare il vetro ceramico come parte superiore termica del dissipatore di calore a causa delle proprietà estremamente piatte.

Per i triac di tensione di linea, Mica era il materiale migliore per la protezione da impulsi a 5kV e la conduzione termica con grasso termico.

I fluidi dielettrici come l'olio per trasformatori hanno anche buoni isolanti termici con il flusso di calore.

Figure di merito per il confronto di materiali Utilizzo di isolanti termicamente conduttivi;

Conduttività termica [W / mK] ,
spessore [um] , durezza shore [00] ,
resistenza dielettrica [kV / mm] e
impedenza termica [˚C-cm² / W]

$\frac{V}{mm} \cdot \frac{°C\cdot mm}{W}$ o dividere per conduzione termica in $\frac{kV}{mm} /\frac{W}{m-K}$.

Soluzioni tradizionali; sono stati Mica, nastro 3M e alcuni nastri polimerici.

La migliore soluzione economica di Aavid Thermalloy è:

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

Per la rimozione del calore ad aria forzata, non è il CFM che conta, ma è spesso riportato, piuttosto è la turbolenta velocità dell'aria di superficie che controlla il raffreddamento in media [m / s].

Il prodotto di entrambi questi parametri porta alle migliori proprietà del materiale ma non al più economico.

In realtà, esiste una buona soluzione: l'alluminio. Alluminio anodizzato. L'anodizzazione trasforma la superficie in ossido di alluminio, che è un isolante. Buone notizie: la superficie è aumentata per aiutare a condurre il calore all'aria ambiente; Cattive notizie non sono una superficie piana e liscia per contattare il dispositivo di alimentazione che produce calore. Soluzione: composto termico (noto anche come "grasso"). Note importanti: esistono diversi processi per anodizzare l'alluminio. La maggior parte delle cose carine è "Classe I" che è morbida o "Classe II" che è moderatamente difficile. È possibile utilizzare la Classe II Se non vi è alcun movimento relativo del dispositivo da raffreddare ed è saldamente fissato al dissipatore di calore e non ci sono bave o graffi, questo funziona bene. Troppi " if " s & ""s per te? Quindi l'anodizzazione" Classe III "è ciò che desideri. Tende ad essere colorato in modo non uniforme e il nero ha una tonalità brunastra o violacea. È quasi duro come i diamanti e praticamente antigraffio. Ha ancora bisogno di grasso, ma nessun isolante a tensioni ragionevoli. Il settore militare e aerospaziale lo usano da oltre 50 anni, sia come rondelle anodizzate sottili (~ 0,025 ") (simili agli isolanti TO-3 in mica punzonata) o l'intero involucro (pensa ai missili). Difficile da trovare al giorno e costa di più rispetto ad altre soluzioni, ma fa bene il lavoro.

Per il "grasso", utilizzare silicone (non a base di petrolio), ossido di alluminio (non ossido di zinco) di Dow, Shin-Etsu, Fuji-Poly o Saint-Gobain. Le cose boutique basate su argento e rame per l'overclocking dell'utilizzo dei giocatori da PC sono sia costose che conduttive. Questo va bene con l'anodizzazione di Classe III, purché non migra, non cada, non si asciughi, polvere o scaglie, ecc. Sull'attuale materiale di trasporto (semplicemente non utilizzarlo). Se hai davvero bisogno di accoppiare molto calore con grasso, l'ossido di berillio è molte volte migliore dell'ossido di alluminio. Trattalo come l'amianto: non leccarlo, non mangiarlo, non inspirarlo. È irritante per la pelle, quindi indossa i guanti e preparati per l'attacco di una "caccia alle streghe tossica". Questi grassi devono avere uno spessore compreso tra 0,0001 "e 0,0005" sotto il dispositivo (tipo di traslucido). Applicare con un piccolo tergipavimento in plastica o metallo; per i volumi di produzione utilizzare uno stencil (stesso tipo di materiale per stencil utilizzato per la pasta per saldatura ~ 0,005 "SS) e un tergipavimento.

Ho visto dissipatori di calore con un sottile rivestimento ceramico nell'area di montaggio, ma la differenza di Cte è un problema e può rompere la ceramica sottile.

Spero che questo aiuti, ho ottenuto questo da> 40 anni di vagabondaggio tra elettroni e buchi di elettroni.

Nel complesso, sospetto che evitare "usura" sul campo e conseguenti costose sostituzioni sia un motivo chiave per applicazioni generali che evitano i dissipatori di calore cristallini. Non dire che i dissipatori di metallo non falliscono mai sul campo. Ma in generale la sostituzione dei dissipatori di calore in metallo sul campo sarebbe molto più economica e richiederebbe attrezzature molto meno specializzate rispetto ai dissipatori di calore cristallini.

Cioè all'inizio i dissipatori di calore cristallini sarebbero generalmente costosi da modellare a macchina e si verificherebbero alcune rotture esatte a causa di stress termici e meccanici. Potresti comunque rimanere entro i costi totali accettabili se tutto ciò accadesse in una fabbrica speciale di dissipatori di calore. Ma non è raro che i produttori di applicazioni finali debbano tagliare il dissipatore di calore per adattarlo, ecc.

La seconda volta in un'applicazione in campo, molti dissipatori di calore subiscono shock e vibrazioni termici e meccanici che potrebbero essere al di fuori del tasso di sopravvivenza del 100% per i dissipatori di calore cristallini. I buoni vecchi dissipatori di calore in metallo, d'altra parte, possono richiedere parecchi abusi e flessioni. Alcuni servono anche secondariamente come punto di fissaggio meccanico al telaio esterno di un gruppo più grande.

Inoltre, nel caso dei dissipatori di calore cristallini, i dispositivi di fissaggio potrebbero diventare punti di errore anziché il dissipatore di calore. Un dispositivo di fissaggio più morbido attenuerebbe i danni causati dalle vibrazioni del dissipatore di calore, ma sarebbe invece gradualmente attraversato da quelle stesse vibrazioni e flessioni.

Quindi i dissipatori di calore cristallini diventerebbero probabilmente un oggetto di riparazione occasionale sul campo ... assumendo un arresto termico intelligente e avvisi. Ora pensa quali strumenti speciali sono necessari sul campo e che tipo di tassi di rottura potrebbero essere applicati quando la tua tecnologia media cerca di gestire la sostituzione. Scommetto che i dissipatori di calore sarebbero qualcosa che molti corpi, governi e clienti privati ​​si aspetterebbero che i tecnici locali gestiscano anche se non i circuiti. Solo un lavoro chiave, giusto?