En køleplade er en af de mest grundlæggende komponenter, der bruges til at køle elektroniske enheder. Når en varmekilde ikke kan aflede varme effektivt gennem sin egen ledning og kræver mere effektiv køling, bruges en køleplade til at overføre varme væk fra kilden og aflede den gennem optimeret ledning og konvektion.

Køleplader bruges i vid udstrækning i effektelektronik, telekommunikationsudstyr, servere, LED-belysning, bilelektronik og industrielle apparater.

den grundlæggende struktur af en køleplade

En typisk køleplade består hovedsageligt af to dele:

• grundlag

• indtil

Basen er normalt en plan overflade, der er i direkte kontakt med varmekilden. Dens funktion er at overføre varme fra det varme punkt og fordele den jævnt over finnerne.

Finnerne er designet til at øge kølepladens samlede overfladeareal. De kan fremstilles i en bred vifte af geometrier og er typisk placeret lodret fra bunden for at maksimere varmeafledningen.

Det primære designmål for en køleplade er at maksimere overfladearealet, så mere varme kan overføres til den omgivende luft.

materialer til køleplader

med meget få undtagelser er køleplader lavet af termisk ledende metaller, oftest aluminium eller kobber.

aluminium

Aluminium er det mest anvendte materiale til køleplader.

• Varmeledningsevne: 235 w/mk

• letvægts

• omkostningseffektiv

• let at fremstille

Disse egenskaber gør aluminium ideelt til lette og økonomiske kølepladeløsninger.

kobber

kobber er et andet populært materiale til køleplader.

• Varmeledningsevne: ~400 w/mk

• højere varmeoverføringsevne

Selvom kobber er tungere og dyrere, er det ofte nødvendigt i højtydende termiske applikationer.

naturlig konvektion vs. tvungen konvektion

Køleplader klassificeres typisk i to kategorier grundlagret på luftstrømningsforhold.

naturlig konvektion (passiv køling)

Passive køleplader er udelukkende afhængige af naturlig luftstrøm for at fjerne varme.

de er designet til at:

• maksimere overfladearealet

• tillader luften at cirkulere naturligt

• fungere uden yderligere aktive komponenter

Passive køleplader bruges almindeligvis i elektroniske enheder med lavt strømforbrug.

tvungen konvektion (aktiv køling)

Aktive køleplader bruger ventilatorer eller blæsere til at tvinge luft gennem finnerne.

Denne tvungne luftstrøm skaber turbulens, hvilket øger varmeoverføringseffektiviteten og køleydelsen betydeligt.

Aktive køleløsninger anvendes i vid udstrækning i:

• servere

• effektelektronik

• højtydende computersystemer

almindelige typer af køleplader

Adskillige fremstillingsteknologier bruges til at producere køleplader, der hver især er egnet til forskellige termiske krav og anvendelser.

1. stemplede køleplader (på printpladeniveau)

Prægede køleplader fremstilles af metalplader ved hjælp af progressive prægeprocesser. Hvert prægetrin tilføjer funktioner og detaljer, efterhånden som metallet passerer gennem dysen.

Disse køleplader er typisk designet til specifikke elektroniske kapslingstyper for at sikre optimal pasform på printkort (pcb'er).

de kan fungere i passiv tilstand eller inkludere en ventilator for at øge luftstrømmen på tværs af kortet.

fordele

• ideel til applikationer med lavt strømforbrug (0-5w)

• hurtig og enkel montering

• lave produktionsomkostninger

• skalerbar til produktion i store mængder

• tilgængelig for mange pakketyper

ulemper

• Ikke egnet til applikationer over 5w

• størrelsesbegrænset (generelt under 50 mm)

• designet til kun at køle en enkelt enhed

2. ekstruderede aluminiumskøleplader

Ekstrudering er en af de mest populære og omkostningseffektive metoder til fremstilling af køleplader.

Ekstruderede køleplader varierer i størrelse afhængigt af anvendelsen. Mindre versioner bruges til køling på printpladeniveau, mens større versioner er designet til mellemstor effekt termisk styring.

De kan optimeres til både passiv og aktiv køling, afhængigt af finnegeometri og -afstand.

Ekstruderede køleplader på printkortniveau bruges almindeligvis til komponenter som:

• bga

• FPGA

Ekstruderingsprocessen begynder med en profilmatrice, der definerer finnestrukturen, afstanden og bunddimensionerne. Opvarmet aluminium skubbes derefter gennem matricen for at skabe en lang profil, som senere skæres i den ønskede længde og viderebehandles.

fordele

• ideel til mellemstore strømforsyninger

• omkostningseffektiv produktion

• meget skalerbar til masseproduktion

• nem tilpasning

• konstruktion i ét stykke med lav varmemodstand

ulemper

• ikke egnet til applikationer med meget høj effekt

• størrelsesbegrænsninger (ca. 59 cm bred og 114 cm lang)

• Store profiler kan have begrænsninger i efterbehandlingen

3. køleplader med afskåret finne

Afskalning er en bearbejdningsproces, der danner finner direkte fra en massiv metalblok. Tynde lag skæres fra bunden og foldes opad for at skabe finner.

Fordi finnerne og bunden er lavet af det samme stykke materiale, er der ingen samlinger eller grænseflader, hvilket reducerer den termiske modstand.

Denne proces muliggør også meget tynde finner og høj finnetæthed, hvilket øger det samlede overfladeareal betydeligt.

I modsætning til ekstrudering kræver afskalning ikke dedikeret værktøj, hvilket sænker værktøjsomkostningerne og muliggør hurtigere prototyping.

fordele

• høj køleeffektivitet

• tynde finner og høj finnetæthed

• lavere værktøjsomkostninger

• økonomisk for kobberkøleplader

ulemper

• ikke ideel til applikationer med ekstremt høj effekt

• størrelsesbegrænsninger

• tynde finner kan være mere skrøbelige

• mindre egnet til meget store produktionsvolumener

4. køleplader med bundne og loddede finner

Koblingsfinnede køleplader består af to hovedkomponenter:

• en grundlag (ekstruderet eller maskinbearbejdet)

• individuelle finner fastgjort med termisk ledende klæbemiddel, epoxy eller lodning

Finnerne er typisk stemplet af tyndt metalplade, mens grundlagn kan ekstruderes, støbes eller bearbejdes.

Yderligere termiske teknologier såsom varmerør eller dampkamre kan også integreres i grundlagn for at forbedre ydeevnen.

Koblede finnekøleplader giver større designfleksibilitet og tillader højere finnetæthed inden for et mindre fodaftryk.

fordele

• kompakt design til pladsbegrænsede anvendelser

• høj termisk ydeevne

• egnet til tvungen konvektion

• tæt finneafstand

• høje finne-aspektforhold

• fleksibel designintegration

• lavere værktøjsomkostninger

ulemper

• ikke ideel til miljøer med høj vibration

• Ikke egnet, når den nødvendige termiske modstand er under 0,01°C/W

5. lynlåsfinne køleplader

Lynlåsfinner er lavet af en række individuelt stemplede metalfinner, der er foldet og låst sammen.

Disse finner kan arrangeres på enten:

• lukkede kanaler for rettet luftstrøm

• åbne konfigurationer til multidirektionel luftstrøm

Finnestakken er normalt fastgjort til kølepladens bund eller varmerør ved lodning, slaglodning eller epoxybinding.

Dette design tilbyder fremragende mekanisk stabilitet og høj fleksibilitet til integrerede termiske løsninger.

fordele

• høj termisk ydeevne

• ideel til applikationer med tvungen luftstrøm

• fleksibel designintegration

• lavere værktøjsomkostninger

• letvægts

• kan forbedre varmeledningseffektiviteten

• forbedret mekanisk stabilitet

ulemper

• nogle begrænsninger for ekstremt lave krav til termisk modstand

6. foldede finnekøleplader

Foldede finner skabes ved at bøje tynde metalplader i komplekse former for at øge overfladearealet.

Disse finner er typisk bundet eller loddet til en grundlag for at danne den endelige kølepladeenhed. Foldet finneteknologi kan også bruges i flydende kolde pladeløsninger.

fordele

• øget overfladeareal

• høj finneeffektivitet

• kompatibel med flere materialer

• letvægtsstruktur

ulemper

• Fungerer bedst, når luftstrømmen ledes direkte gennem finnerne

• højere produktionsomkostninger i nogle tilfælde

7. støbte køleplader

Støbte køleplader produceres som enkeltstående strukturer ved hjælp af smeltet metal, der sprøjtes ind i specialfremstillede forme.

Denne fremstillingsmetode er ideel til produktion i store mængder og muliggør komplekse geometrier, der ville være vanskelige at opnå gennem andre processer.

Efter støbning kræves minimal bearbejdning og efterbehandling for at opnå det endelige produkt.

fordele

• ideel til produktion i høj volumen

• egnet til komplekse former

• lav eller næsten nul termisk modstand

ulemper

• høje initiale værktøjs- og formomkostninger