Introduzione
I dissipatori di calore-solitamente realizzati in alluminio o rame-assorbono il calore dai componenti elettronici e lo spingono nell'aria circostante. Li troverai ovunque: all'interno di computer, illuminazione, dispositivi di alimentazione, tutto quello che vuoi. Per aiutarli a durare più a lungo e a funzionare meglio, le aziende spesso trattano le loro superfici. Cose come l'anodizzazione, la placcatura dei metalli o i rivestimenti speciali non si limitano a proteggere le alette dalla ruggine; li aiuta anche a dissipare il calore in modo più efficiente. Ogni trattamento ha una propria serie di pro e contro. Alcuni migliorano le prestazioni termiche, altri combattono la corrosione e altri ancora mantengono bassi i costi. Diamo uno sguardo più da vicino all'anodizzazione, alla placcatura e ai rivestimenti sui dissipatori di calore e vediamo come ciascuno di essi si comporta in termini di efficienza, protezione e prezzo.
Anodizzazione dei dissipatori di calore: emissività e durata
L'anodizzazione è un processo- da seguire per rendere i dissipatori di calore in alluminio più resistenti e-durevoli. Ecco come funziona: si fa passare una corrente elettrica attraverso il metallo, che addensa il suo strato di ossido naturale in un guscio resistente e poroso. Questa shell fa molto. Mantiene il dissipatore di calore al sicuro dalla corrosione e dall'usura-quindi resiste a elementi come l'umidità o l'aria salata molto meglio del semplice alluminio. Inoltre, ottieni un ottimo isolamento elettrico, quindi c'è meno rischio di cortocircuiti elettrici quando i componenti sono ravvicinati.
Ma la vera magia, almeno per il raffreddamento, avviene con l’emissività superficiale. L'alluminio nudo irradia a malapena il calore. La sua emissività è compresa tra 0,04 e 0,06, il che significa che per lo più si limita a respingere il calore invece di lasciarlo fuoriuscire. Una volta anodizzato, però, quel numero salta a 0,8 o addirittura 0,9. Si tratta di un enorme passo avanti-all'improvviso, un dissipatore di calore anodizzato nero può irradiare calore da 15 a 20 volte in modo più efficiente di uno semplice. Questo è enorme se hai a che fare con il raffreddamento passivo o in situazioni in cui il flusso d'aria è limitato. Gli esperti affermano che i dissipatori di calore anodizzati neri possono aumentare il raffreddamento radiativo da 8 a 10 volte rispetto all'alluminio nudo, e ciò significa parti più fredde, soprattutto in configurazioni piccole o anguste.
Ora, lo strato anodizzato stesso è sottile-di solito solo da 5 a 25 micron per il materiale standard-quindi non rallenta realmente il flusso di calore attraverso il metallo. Ottieni una piccola resistenza termica extra, forse il 5-10% in più, ma l'aumento dell'emissività è più che compensato. Se esageri e usi un'"anodizzazione dura" super-spessa (25–100 micron), allora sì, inizierai a vedere il lavandino diventare più caldo perché lo strato blocca un po' di più il calore. Ma in condizioni normali, il compromesso-è minimo e di solito ne vale la pena.
C'è altro da apprezzare nell'anodizzazione. Il processo è provato-e-vero, funziona su larga scala e solitamente è meno costoso dei rivestimenti speciali di fantasia. Inoltre, la superficie porosa assorbe bene la tintura, quindi puoi ottenere dissipatori di calore in tutti i tipi di colori senza compromettere il loro potere di raffreddamento. La ricerca mostra che il colore non ha alcuna importanza per la radiazione termica-una finitura anodizzata trasparente si raffredda altrettanto bene del nero.
In conclusione: i dissipatori di calore anodizzati sono i preferiti per un motivo. Resistono alla corrosione, irradiano calore come campioni e hanno un bell'aspetto nel farlo. L'unico vero svantaggio è un leggero calo nella conduzione termica se lo strato di ossido diventa troppo spesso, ma con l'anodizzazione standard non è un grosso problema. Ottieni un equilibrio intelligente tra protezione e prestazioni.
Placcatura dei dissipatori di calore: conduttività e protezione
Placcare un dissipatore di calore significa aggiungere un sottile strato di metallo-nichel, stagno, argento o talvolta oro-direttamente sulla superficie. Di solito le persone lo fanno con lavelli in rame o acciaio, e talvolta con l'alluminio, anche se questo richiede un sottofondo speciale. Il motivo principale per placcare? Protezione dalla corrosione. Ad esempio, mettere nichel o stagno sul rame ne impedisce l'ossidazione e la corrosione, il che aiuta il dissipatore di calore a continuare a funzionare bene in ambienti umidi o difficili. Fondamentalmente, il rivestimento metallico agisce come uno scudo, mantenendo l'aria e l'umidità fuori e prolungando la durata della parte.
Gli strati placcati, a differenza di quelli anodizzati, conducono ancora sia calore che elettricità. La nichelatura chimica si distingue perché è resistente alla corrosione e continua a condurre il calore. Uno strato di nichel ha una conduttività termica di circa 90 W/m·K-meno del rame (circa 400 W/m·K) o dell'alluminio (circa 200 W/m·K)-ma fa comunque il suo lavoro. Un esperto del settore afferma addirittura che "il nichel chimico è il rivestimento migliore se si desidera il massimo trasferimento di calore" e che la placcatura in nichel rimane conduttiva, sia termicamente che elettricamente. La placcatura in argento arriva a valori ancora più alti (circa 429 W/m·K) e si manifesta in dispositivi ad-prestazioni estremamente elevate, anche se si ossida nel tempo. La placcatura in oro (318 W/m·K) viene solitamente utilizzata nelle applicazioni aerospaziali o RF dove la stabilità è più importante.
La maggior parte della placcatura ha uno spessore di soli pochi micron, quindi aggiunge a malapena resistenza termica. Per il nichel, la resistenza extra è di circa 0,2 K·cm²/W-così piccola da non avere importanza per la maggior parte dei progetti. A differenza della vernice, la placcatura in metallo difficilmente isola, poiché il metallo stesso trasporta bene il calore. Tuttavia, la placcatura non è economica. Il costo dipende dal metallo: stagno e nichel non sono male, ma l'argento e l'oro possono diventare costosi velocemente. Inoltre, placcare l'alluminio non è semplice-: sono necessari passaggi di pulizia aggiuntivi o uno strato di base speciale, il che aumenta la seccatura.
In conclusione: la placcatura dei dissipatori di calore offre una solida resistenza alla corrosione senza compromettere la conduzione del calore. Ciò è particolarmente comune per i lavelli in rame (poiché il rame ama corrodersi) e ovunque desideri una finitura lucida e pulita, come i connettori. I compromessi-? Costi più elevati e, talvolta, problemi di corrosione galvanica-come se il nichel sottile sull'alluminio si graffia. Ma per i lavori ad alta-affidabilità, di solito ne vale la pena. Una buona lamiera di nichel o stagno mantiene il dissipatore di calore funzionante a lungo termine.
Dissipatori di calore con diverso tipo di finitura superficiale
Rivestimenti per Dissipatori: Finiture estetiche e isolanti
I rivestimenti del dissipatore di calore di solito significano vernici, rivestimenti in polvere o pellicole polimeriche che vengono applicate dopo la realizzazione del dissipatore di calore. Questi strati sono molto più spessi dell'anodizzazione-penso da 30 a 100 micron-e, onestamente, sono lì per proteggere la parte o darle un bell'aspetto, non per aiutarla a raffreddarsi meglio. Il rivestimento, infatti, si trasforma in un vero e proprio ostacolo termico. Un progettista di dissipatori di calore lo ha detto senza mezzi termini: "Non verniciare i dissipatori di calore". La vernice lascia una sottile pellicola isolante che rallenta il trasferimento di calore. Anche un cappotto nero opaco, che alcune persone pensano possa aiutare, in realtà riduce un po’ le prestazioni. La sua bassa conduttività termica e il suo spessore sono solo d'intralcio.
Ora c'è una svolta. I rivestimenti aumentano l’emissività superficiale. Una buona finitura nera può avere un'emissività compresa tra 0,4 e 0,8, decisamente migliore del metallo lucido. Quindi sì, un dissipatore di calore verniciato irradia il calore in modo più efficiente. Ma ecco il problema: tale incremento raramente compensa il fatto che il rivestimento blocca il flusso di calore dal metallo stesso. I dati di ProtoLabs mostrano che i rivestimenti in polvere possono ridurre le prestazioni termiche dal 20 al 50% nei dissipatori di calore ad alta-potenza. Quindi, i lavandini verniciati finiscono per diventare più caldi, soprattutto quando le cose si fanno intense. Alcuni produttori offrono vernici "termodissipative", ma come ha sottolineato un ingegnere, il metallo nudo in realtà batte le parti rivestite quando la differenza di temperatura non è enorme.
Esiste un altro tipo di rivestimento-rivestimenti di conversione come cromato o fosfato. Questa è una storia diversa. Sono super sottili, solo frazioni di micron, e si legano direttamente al metallo. Toccano a malapena il trasferimento di calore, ma aiutano la vernice ad aderire e aggiungono un po' di protezione dalla corrosione.
In conclusione: le persone usano rivestimenti polimerici sui dissipatori di calore per l'aspetto o l'isolamento elettrico, non per un migliore raffreddamento. Rendono la parte nitida e aiutano a evitare graffi o cortocircuiti elettrici, ma c'è sempre un piccolo impatto sulle prestazioni termiche. Negli apparecchi LED-a basso consumo o nei gadget di consumo in cui l'aspetto conta, di solito va bene un rivestimento in polvere bianco o nero. Ma quando si tratta di componenti ad alte-prestazioni, gli ingegneri evitano la verniciatura spessa sui dissipatori di calore critici.
Confronto di prestazioni ed efficienza
Quindi, come si comportano effettivamente questi trattamenti quando si tratta di eliminare il calore? Dipende davvero dal modo in cui raffreddi le cose. Se ti affidi al raffreddamento passivo-senza ventole, solo il buon vecchio flusso d'aria naturale-che aumenta l'emissività fa una grande differenza. È qui che brillano l'anodizzazione nera o i rivestimenti speciali, in senso letterale e figurato. Permettono al dissipatore di calore di dissipare più calore attraverso l'irraggiamento. Prendiamo un piccolo dissipatore passivo: se lo anodizziamo nero, possiamo abbassarne la temperatura del 10–20%, semplicemente lasciandolo irraggiare meglio.
Ma una volta installata una ventola e passato al raffreddamento ad aria-forzata, la convezione prende il sopravvento. All'improvviso, quell'elegante rivestimento ad alta{2}}emissività aiuta solo un piccolo-miglioramento di appena una piccola percentuale, niente di drammatico.
E che dire dei metalli placcati? I lavelli placcati in nichel-, ad esempio, conducono ancora il calore quasi quanto l'alluminio nudo. Un ingegnere lo ha detto addirittura senza mezzi termini: i rivestimenti anodizzati semplicemente non spostano il calore in modo così efficiente come la placcatura dei metalli. Detto questo, un sottile strato anodizzato-spesso solo pochi micron-non ostacola realmente la conduzione. Il quadro più ampio: i dissipatori di calore anodizzati o verniciati si concentrano sull'irradiazione del calore, mentre quelli placcati si concentrano sulla conduzione e sulla resistenza alla corrosione.
Per riassumere: i lavelli anodizzati neri sono campioni nel irradiare calore-a volte fino a 8-10 volte meglio del metallo nudo. La placcatura, d'altro canto, mantiene la superficie altrettanto conduttiva del metallo grezzo. La maggior parte dei progettisti ritiene che l'anodizzazione sia la scelta migliore per il raffreddamento passivo. Ma se sei preoccupato per la ruggine o l'usura-a lungo termine, la placcatura prende l'iniziativa. Nei sistemi con ventole o raffreddamento misto, le differenze si riducono. Infatti, con i lavelli raffreddati con ventola-, una vernice nera spessa potrebbe abbassare la temperatura di pochi gradi rispetto all'alluminio nudo. Nichelatura? Noterai a malapena un cambiamento di temperatura.
Resistenza alla corrosione e durata
Proteggere le superfici del dissipatore di calore dalla corrosione è davvero importante. Prendiamo ad esempio l'anodizzazione:-crea uno strato resistente, simile alla ceramica-proprio sull'alluminio. Questo strato impedisce l'ingresso di aria e sostanze chimiche, quindi i lavelli anodizzati resistono a condizioni di umidità o sale molto meglio del metallo nudo. Anche la placcatura funziona. Basta un sottile strato di nichel o stagno sul rame per fermare l'ossidazione e aiutare il dissipatore di calore a continuare a svolgere il suo lavoro per anni. Immagina un lavandino in rame placcato nichel- collocato in un luogo umido; sembrerà e funzionerà ancora come nuovo molto tempo dopo che uno non rivestito inizierà a peggiorare.
Le vernici e i rivestimenti in polvere aiutano a coprire il metallo, ma la loro efficacia dipende solo dalla loro superficie. Se vengono graffiati o scheggiati, si insinua la corrosione. Rivestimenti chimici sottili come cromati o fosfati aggiungono un altro strato di difesa, spesso successivo alla verniciatura a polvere per sostenere la protezione. Per quanto riguarda il funzionamento di queste finiture,-l'alluminio anodizzato ottiene quasi sempre il massimo dei voti per la resistenza alla corrosione, e anche la placcatura in nichel ottiene un punteggio elevato. L'alluminio nudo inizia a formare rapidamente ossido e il rame si ossida in pochissimo tempo.
Ecco perché troverai anodizzazione o placcatura sulla maggior parte dei dissipatori di calore utilizzati all'esterno o in ambienti industriali difficili. Entrambi i metodi svolgono un ottimo lavoro nel bloccare l'ossigeno e l'umidità, quindi il dissipatore di calore dura più a lungo. La scelta migliore dipende solo dal metallo con cui stai lavorando e dal luogo in cui verrà utilizzato il lavandino.
Considerazioni sui costi
Il costo conta sempre. Nella maggior parte dei casi, l'anodizzazione è il modo più economico per i dissipatori di calore in alluminio, soprattutto se si stanno producendo grandi lotti. È un processo solido e affidabile per qualsiasi cosa estrusa o lavorata a macchina in alluminio. La placcatura, d'altro canto, può riguardare tutta la mappa del prezzo-a livello di prezzo. Lo stagno e il nichel standard non sono poi così male, ma una volta che si inizia a parlare di placcatura in argento o oro, il conto sale rapidamente. E quando ti occupi di rivestimenti specializzati-vernici ceramiche e polimeri spessi-non paghi solo per i materiali. Stai anche pagando per lavori extra come la polimerizzazione e la mascheratura, che consumano tempo e denaro.
I costi variano a seconda dello spessore del rivestimento e della preparazione necessaria per la parte. L'anodizzazione dura, che offre una migliore resistenza all'usura, costa di più rispetto al tipo normale. La verniciatura a polvere sembra economica per parte, ma trascorrerai più tempo a rifinire i pezzi. In realtà, l'anodizzazione colpisce nel segno: è conveniente e porta a termine il lavoro. La placcatura o i rivestimenti fantasia hanno senso solo se hai bisogno di qualcosa di speciale-come un aspetto particolare o una proprietà che l'anodizzazione non può darti. Supponiamo che tu abbia bisogno di un albero per condurre l'elettricità-allora devi placcarlo e il prezzo diventa meno preoccupante.
In conclusione: la maggior parte dei progettisti sceglie l'anodizzazione per i dissipatori di calore in alluminio perché funziona bene e non costa una fortuna. Se hai bisogno di extra specifici, come una finitura metallica o un determinato colore, potrebbe valere la pena pagare di più per la placcatura o un rivestimento speciale. Assicurati solo che le prestazioni o lo stile extra valgano effettivamente il costo. Un semplice dissipatore di calore anodizzato spesso offre più valore di un costoso dissipatore placcato con quasi nessuna differenza nelle prestazioni termiche.
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