Πώς εφαρμόζεται η τεχνολογία Cold Spray στην παραγωγή ψύκτρας

Οι ηλεκτρονικές συσκευές παράγουν θερμότητα κατά τη λειτουργία, οδηγώντας σε μείωση της απόδοσης και της αξιοπιστίας. Τα εξαρτήματα IC με υψηλότερη κατανάλωση θερμικής ενέργειας βασίζονται συνήθως σε ψύκτρες θερμότητας για τη μεταφορά θερμότητας και την αποφυγή θερμοκρασιών διασταύρωσης που υπερβαίνουν το μέγιστο επιτρεπόμενο όριο. Η εγκατάσταση μιας ψύκτρας σε ένα τσιπ ημιαγωγού με βάση το πυρίτιο και τελικά η διάχυση της θερμότητας του τσιπ μέσω αέρα ή υγρού είναι μια κοινή μέθοδος ψύξης για ηλεκτρονικές συσκευές. Αυτά τα θερμαντικά σώματα συνήθως επεξεργάζονται χωριστά χρησιμοποιώντας υλικά χαλκού ή αλουμινίου ή συνδυασμό υλικών χαλκού και αλουμινίου.

Ο χαλκός έχει υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα από το αλουμίνιο και η ικανότητα διάχυσης θερμότητας ανά μονάδα όγκου είναι ανώτερη από το αλουμίνιο. Εξαιρουμένης της επίδρασης του βάρους και του κόστους, ο χαλκός είναι το προτιμώμενο υλικό για τις ψύκτρες. Τα υλικά αλουμινίου έχουν χαμηλή θερμική αγωγιμότητα, επομένως τα θερμαντικά σώματα αλουμινίου δεν μπορούν να διαχέουν τη θερμότητα αρκετά γρήγορα, απαιτώντας μεγαλύτερη επιφάνεια και υψηλότερα πτερύγια. Σε πολλές συμπαγείς εφαρμογές, ειδικά σε συστήματα που επιδιώκουν υψηλή πυκνότητα ισχύος, τα θερμαντικά σώματα αλουμινίου δεν είναι η καλύτερη επιλογή.

Η ψύκτρα περιλαμβάνει μια βάση που έρχεται σε επαφή με το τσιπ της πηγής θερμότητας, καθώς και πτερύγια που συνδέονται πάνω από τη βάση μέσω μεθόδων κατασκευής όπως σφράγιση, συγκόλληση, εξώθηση, κοπή δοντιών και θρυμματισμός. Η βάση έρχεται σε επαφή με το τσιπ, απορροφά τη θερμότητα από το τσιπ και την οδηγεί στα πτερύγια. Τα πτερύγια προσπαθούν να αυξήσουν την επιφάνεια όσο το δυνατόν περισσότερο, να επιταχύνουν την απόδοση της ανταλλαγής θερμότητας αέρα και τελικά να αφαιρέσουν τη θερμότητα από το τσιπ. Οι ηλεκτρονικές συσκευές υψηλής ισχύος συχνά παράγουν θερμότητα γρήγορα στα τσιπ. Εάν η ψύκτρα είναι βάση αλουμινίου, η ταχύτητα μεταφοράς θερμότητας της βάσης μπορεί να μην είναι επαρκής για τη γρήγορη διάχυση της θερμότητας στην επιφάνεια των πτερυγίων, με αποτέλεσμα την αυξημένη αντίσταση στη θερμότητα και την ανεπαρκή απόδοση ψύξης της ψύκτρας.
Ολόκληρη ή μερική περιοχή της βάσης του καλοριφέρ αλουμινίου μπορεί να αντικατασταθεί με χάλκινο υλικό με καλύτερη θερμική αγωγιμότητα για να λυθεί το πρόβλημα της ανεπαρκούς ταχύτητας διάχυσης θερμότητας. Αυτή η σύνθετη βάση ψύκτρας χρησιμοποιεί χαλκό για να μεταφέρει γρήγορα τη θερμότητα του τσιπ, ενώ τα πτερύγια εξακολουθούν να είναι κατασκευασμένα από αλουμίνιο, το οποίο μπορεί να επιτύχει τόσο γρήγορη θερμική διάχυση όσο και οικονομικά αποδοτικό.

Η τεχνολογία Cold Spray είναι μια εξαιρετικά καινοτόμος διαδικασία κατασκευής επιφανειών επίστρωσης και πρόσθετων που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη σύνδεση χαλκού και αλουμινίου και την αντιμετώπιση προβλημάτων που σχετίζονται με τη συγκόλληση και τη συγκόλληση. Η διαδικασία ψυχρού ψεκασμού μπορεί να εναποθέσει σωματίδια σκόνης σε στερεά κατάσταση στην επιφάνεια του υποστρώματος σε θερμοκρασίες πολύ κάτω από το σημείο τήξης του υλικού, αποφεύγοντας έτσι κοινά προβλήματα που προκαλούνται από υψηλή θερμοκρασία, όπως οξείδωση σε υψηλή θερμοκρασία, θερμική καταπόνηση και μικροσκοπική μετασχηματισμός φάσης. Ο ψυχρός ψεκασμός είναι μια τεχνολογία επεξεργασίας με βάση τη σκόνη όπου τα σωματίδια σκόνης μεγέθους μικρού επιταχύνονται από υπερηχητικό συμπιεσμένο αέριο στο ακροφύσιο, προκαλώντας σωματίδια σκόνης υψηλής ταχύτητας να συγκρούονται με το υπόστρωμα, προκαλώντας πλαστική παραμόρφωση και συγκόλληση με το υπόστρωμα. Η διαδικασία CS έχει μικρότερο χρόνο παραγωγής και επιτρέπει την ευέλικτη επιλογή μεγάλης κλίμακας ή τοπικής κατασκευής εναπόθεσης.

Όπως είναι γνωστό, η απόδοση της ψύκτρας συνήθως ποσοτικοποιείται με βάση τις τιμές θερμικής αντίστασης. Η θερμική αντίσταση είναι ένα μέτρο της θερμοκρασίας στην κορυφή του ψυγείου πάνω από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος για κάθε μονάδα ισχύος που καταναλώνεται από το ψυγείο. Όσο χαμηλότερη είναι η τιμή της θερμικής αντίστασης, τόσο χαμηλότερη είναι η θερμοκρασία στην κορυφή των πτερυγίων στο ίδιο περιβάλλον ψύξης και τόσο καλύτερη είναι η ψυκτική απόδοση του ψυγείου. Το κόστος παραγωγής των σύνθετων καλοριφέρ για την κατασκευή ψυχρού ψεκασμού είναι ελαφρώς υψηλότερο από αυτό των καλοριφέρ αλουμινίου, αλλά το βάρος και το κόστος είναι χαμηλότερα από τα θερμαντικά σώματα χαλκού. Η προσθήκη ενός στρώματος χαλκού σε ένα ψυγείο αλουμινίου έχει άμεσο αντίκτυπο στο κόστος παραγωγής, αλλά το όφελος είναι ότι θα μειώσει τη θερμική αντίσταση του ψυγείου κατά 48%.