Теплоотвод: не просто кусок металла с рёбрами 

Когда слышишь ?теплоотвод?, первая мысль — алюминиевый радиатор на процессоре. Но в промышленности, особенно в наших проектах для аэрокосмической отрасли или силовой электроники для новых источников энергии, всё куда сложнее. Частая ошибка — считать, что главное — площадь поверхности. Площадь важна, но если не продумана теплопроводность материала от основания к рёбрам или конвекция, получится дорогая, но бесполезная железяка. У нас в ООО Сямэнь Хуасиньронг промышленность и торговля бывали случаи, когда заказчик приносил красивый 3D-макет, а после теплового моделирования выяснялось, что половина рёбер работает в ?мёртвой? зоне обдува.

Материал: не только алюминий

Да, АД31, АМг5 — это классика. Но для мощных IGBT-модулей в преобразователях для морского транспорта, где нужен отвод 500 Вт и более с квадратного дюйма, уже смотрим на медь или даже прессованные порошковые композиты. Медь дороже, тяжелее, её сложнее экструдировать в сложные профили, но её теплопроводность — это палочка-выручалочка для точечных высоких тепловых потоков. Иногда идём на компромисс: медное основание для контакта с кристаллом и алюминиевые ребра, спаянные или склеенные термоинтерфейсом. Ключ — минимизировать термическое сопротивление на стыке.

А вот для серийного автомобильного проекта по датчикам или блокам управления (ECU) каждый цент на счету. Тут глубоко погружаемся в вопросы литья под давлением, чтобы получить достаточно эффективный теплоотвод за минимальные деньги. Часто оптимизируем не форму, а техпроцесс: как расположить литники, чтобы не было пустот в основании, где важен каждый миллиметр для теплопередачи.

Был опыт с заказом на радиаторы для светодиодных прожекторов высокой мощности. Изначально конструктор, не особо вдаваясь в детали, заложил массивный цельнолитой алюминиевый корпус. После испытаний в термокамере выяснилось, что из-за большой массы и толщины стенок тепло ?застревает? внутри, не успевая эффективно отводиться к рёбрам на периферии. Переделали на сборную конструкцию: тонкое штампованное основание с запрессованными медными тепловыми трубками и наборными пластинами. Масса упала на 40%, а температура перехода светодиода — на 15°C. Это тот случай, когда нужно думать не ?больше металла?, а ?умнее путь тепла?.

Конструкция и производство: где кроются проблемы

Экструзия — это дёшево и сердито для больших партий. Но есть ограничение по соотношению высоты ребра к толщине основания. Когда нужны очень тонкие и высокие рёбра для принудительного обдува в тесном корпусе сервера, экструзия может не вытянуть. Переходим на фрезеровку или, что сейчас чаще, на технологию skiving (строжки). На нашем сайте metalmachining.ru есть примеры таких деталей — монолитные медные или алюминиевые радиаторы с ребрами толщиной порой менее 0.8 мм. Красота, но стоимость оборудования и время обработки… Зато термическое сопротивление на единицу объема часто в разы лучше.

Сборные конструкции — отдельная песня. Термоклей, пайка в вакуумной печи, пайка ультразвуком. Каждый метод вносит своё термическое сопротивление в стык. Вакуумная пайка даёт почти монолитное соединение, но требует тщательной подготовки поверхностей и недешёвого оборудования. Мы для одного проекта по силовой электронике для ветрогенераторов (новые источники энергии, как-никак) долго выбирали между пайкой и механическим креплением клипсами. Остановились на пайке, потому что главным был долговременный ресурс и стойкость к вибрациям. Клипсы могли ослабнуть, а припой — нет.

Очень важный момент, который часто упускают из виду на этапе проектирования — чистота поверхности и плоскостность основания. Микроскопические зазоры и воздушные карманы убивают всю эффективность. Мы всегда шлифуем и полируем поверхность контакта, а для ответственных применений измеряем профилометром. Помню, поставили партию радиаторов для блоков управления мотоциклом, а тепловые испытания на стенде у заказчика провалились. Оказалось, поставщик термопасты сменил фракцию наполнителя, и она не заполнила микронеровности на нашем, как мы думали, идеально ровном основании. Пришлось экстренно переходить на пасту другого типа и дорабатывать техпроцесс нанесения.

Тепловое моделирование и испытания

Сейчас без CFD-моделирования (вычислительная гидродинамика) за серьёзный проект даже не берёмся. Раньше делали ?на глазок? и по аналогии, что часто вело к перестраховке и перерасходу материала. Современные программы типа FloTHERM или даже Ansys Icepak позволяют довольно точно предсказать картину обтекания и температурные поля. Но модель моделью, а натурные испытания — святое. У нас стоит стенд с термокамерой, набором тепловых нагрузочных резисторов и кучей термопар.

Самое интересное начинается, когда результаты испытаний расходятся с моделью. Недавно как раз было: для радиатора в герметичном боксе системы навигации морского судна модель показывала перегрев на 10°C ниже, чем в реальности. Долго ломали голову, пока не поняли, что в модели не учли тепловое излучение на внутренние элементы корпуса, которые сами нагревались и создавали дополнительную ?баню?. Внесли поправки, и теперь это обязательный пункт проверки для закрытых систем.

Испытания на вибростойкость — отдельная история. Казалось бы, причём тут теплоотвод? Но если у вас сборная конструкция на термоклее или даже пайке, многократные вибрации могут привести к микротрещинам в слое припоя или клея. Термосопротивление растёт, и через полгода эксплуатации в условиях морской качки оборудование уходит в тепловую защиту. Поэтому для таких заказов, особенно в морском транспорте и аэрокосмической отрасли, мы обязательно проводим цикл виброиспытаний с контролем тепловых параметров до и после.

Тренды и будущее

Сейчас всё больше запросов на интеграцию. Теплоотвод перестаёт быть отдельным компонентом. Он становится частью корпуса, несущей конструкции, элемента рамы того же электровелосипеда. Это требует тесной совместной работы конструкторов-механиков и теплотехников с самого начала. Мы в Хуасиньронг часто выступаем такой связующей силой, потому что наш опыт металлообработки позволяет оценить, можно ли в принципе изготовить то, что нарисовано, и будет ли оно эффективно отводить тепло.

Ещё один тренд — двухфазные системы. Тепловые трубки уже стали почти стандартом для высокоплотных решений. Но сейчас заглядываем в сторону испарительных камер (vapor chambers) для больших площадей. Технология сложная, требует чистой комнаты и контроля качества на каждом этапе, но для процессоров серверов или мощных лазерных диодов — это, вероятно, завтрашний день. Пока что это штучные и дорогие решения, но мы уже изучаем этот вопрос, чтобы быть готовыми, когда спрос перейдёт из нишевого в серийный.

В итоге, эффективный теплоотвод — это всегда компромисс. Компромисс между стоимостью, массой, габаритами, сложностью производства и, конечно, тепловыми характеристиками. Нет универсального решения. То, что идеально подходит для компактного контроллера на электровелосипеде, будет провалом в авионике, где на первый план выходят вибронагрузки и работа в разреженной атмосфере. И главный навык — не просто рассчитать площадь, а понять, в какой реальной среде будет работать устройство, и спроектировать систему отвода тепла под эти конкретные, часто очень жёсткие условия.