Al desmontar ciertos dispositivos electrónicos, como ordenadores o electrodomésticos, siempre hay un bloque metálico en su estructura interna. Este bloque metálico es el disipador de calor y uno de los componentes más cruciales para la disipación térmica general del dispositivo electrónico. Sin él, el calor acumulado no podría liberarse ni intercambiarse con el exterior.
¿Qué es un disipador de calor?
Un disipador de calor es un dispositivo diseñado para transferir el calor de funcionamiento de los equipos y mantener su funcionamiento normal. Se aplica principalmente a componentes principales como CPU y GPU (tarjetas gráficas). Según el método de refrigeración, se clasifican en varios tipos, como refrigeración por aire, refrigeración líquida y tecnología de tubos de calor. Los materiales principales son aleaciones de cobre y aluminio, aunque también se utilizan materiales no metálicos como el grafeno, plásticos termoconductores y cerámicas (p. ej., carburo de silicio, nitruro de boro).
La disipación de calor se logra mediante la acción sinérgica de la conducción, la convección y la radiación térmica. Los procesos de fabricación incluyen técnicas como la extrusión de aluminio y la unión cobre-aluminio. El diseño y la forma de las aletas influyen directamente en la eficiencia de la disipación térmica.
Tipos de disipadores de calor
Los disipadores de calor se presentan en diversas variedades debido a las diferencias en el material y la geometría estructural. A continuación, presentamos varios tipos comunes de disipadores de calor.
Disipador de calor de aleta plegada
Las aletas plegadas se fabrican mediante un método de estampación progresiva. Posteriormente, se unen a la base para formar el disipador de calor mediante epoxi termoconductor, soldadura fuerte, soldadura fuerte o uniones metalúrgicas similares. Una ventaja de los disipadores de calor con aletas plegadas es la posibilidad de integrar aluminio y cobre, lo que permite adaptar su rendimiento a una aplicación específica. Si es necesario distribuir el calor a lo largo de una base grande, se puede utilizar cobre por su alta conductividad térmica, mientras que las aletas del disipador pueden fabricarse en aluminio por su bajo peso y coste.
Disipador de calor de aleta biselada
Los disipadores de calor con aletas biseladas utilizan un solo bloque de material (cobre o aluminio) y emplean una máquina de biselado especializada con un proceso de biselado de alta precisión para cortar estructuras de aletas de alta densidad, altas y extralargas. Estos disipadores superan las limitaciones impuestas por el grosor y la relación de aspecto de los disipadores tradicionales, lo que permite la creación de disipadores con aletas de alta densidad. Las aletas y la base son monolíticas (de una sola pieza). Al estar integradas en una sola pieza, no se produce resistencia térmica adicional. Gracias a la alta pureza del material biselado, la eficiencia de los disipadores de calor con aletas biseladas es significativamente mayor que la de los disipadores soldados, con una conductividad térmica comparable a la de los perfiles extruidos.
El proceso de desbastado también se aplica en las muy populares recientemente placas frías de líquido de microcanal, con el propósito de aumentar el área superficial específica para el intercambio de calor y mejorar el efecto de la transferencia de calor por convección.
El flujo del proceso de fabricación de disipadores de calor con aletas biseladas es el siguiente:
- Preparación de la materia prima: los perfiles normalmente se seleccionan en función de los requisitos del disipador de calor para maximizar el ahorro de materia prima.
- Herramientas/Moldeo: Los moldes se crean de acuerdo a las dimensiones del producto, lo que permite uno o varios productos por molde; las operaciones pueden ser continuas o pieza por pieza.
- Mecanizado CNC: incluye el fresado de secciones no deseadas, el fresado de ranuras para anillos de sellado, etc.
- Proceso de biselado: El proceso de biselado se ejecuta utilizando una máquina biseladora CNC.
- Tallado (nivelación): esto se completa mediante operaciones en una máquina talladora.
- Mecanizado secundario: según los planos del producto, esto implica fresar aletas de borde, perforar agujeros en el centro, crear espacios libres (cortes de evitación), superficies de corte sin desprendimiento, mecanizar agujeros roscados y crear características de fijación (asientos de hebilla), etc.
- Tratamiento de superficies: Anodizado, galvanoplastia y más.
Disipador de calor de aluminio extruido
Los disipadores de calor de perfil de aluminio se caracterizan por su estética, ligereza, excelente rendimiento térmico y buen ahorro energético. La superficie de los disipadores de calor de perfil de aluminio acabados se trata con oxidación anódica para mejorar la resistencia a la corrosión y al desgaste, así como su atractivo visual. Los disipadores de calor de aluminio extruido se utilizan generalmente en componentes y sistemas térmicos de alta potencia. Esta tecnología permite la creación de estructuras de aletas complejas mediante moldes. Estas aletas complejas aumentan significativamente la superficie de disipación de calor, reduciendo al mismo tiempo el coste y el tiempo asociados al mecanizado de los bloques de aluminio.
Disipador de calor de aleta adherida
Los disipadores de calor con aletas adheridas generalmente se fabrican mediante un proceso de ensamblaje que implica unir una capa de aletas metálicas delgadas a una base o sustrato.
El flujo del proceso general para la fabricación de disipadores de calor con aletas adheridas es el siguiente:
- Preparación: La base y las aletas, generalmente hechas de aluminio o cobre, se limpian cuidadosamente para garantizar un proceso de unión exitoso.
- Adhesión: Las aletas se adhieren a la base con un material adhesivo, como epoxi o un compuesto de transferencia térmica. El adhesivo se aplica uniformemente sobre la base y las aletas se colocan encima, aplicando presión para asegurar una unión firme.
- Curado: Luego, el material adhesivo se cura, generalmente mediante calor o luz ultravioleta (UV), para formar una unión permanente entre las aletas y la base.
- Ensamblaje: si el disipador de calor requiere componentes adicionales, como hardware de montaje o materiales de interfaz, los ajustes de los componentes se realizan en esta etapa.
Disipador de calor con aletas de cremallera
Este tipo de disipador de calor integra aletas de aluminio con tubos de calor. Se perforan agujeros en las aletas de aluminio según el diseño estructural y se insertan tubos de calor de las dimensiones especificadas, seguido de la unión y soldadura. La ventaja reside en aprovechar el efecto de cambio de fase del tubo de calor para aumentar la eficiencia general de transferencia de calor del disipador. Además, las aletas externas de aluminio aumentan significativamente la superficie de intercambio de calor por unidad de volumen, disipando rápidamente el calor al exterior mediante transferencia de calor por convección de aire.
Naturalmente, existen muchos otros tipos de disipadores de calor que no se abordan aquí. Sin embargo, los tipos comunes mencionados anteriormente son los más utilizados en los dispositivos electrónicos actuales.
Aplicaciones de los disipadores de calor
La aplicación de disipadores de calor es omnipresente, abarcando desde campos a gran escala como la industria aeroespacial, la energía eléctrica, la metalurgia, la energía fotovoltaica, el transporte ferroviario, la automoción y las estaciones base de comunicaciones, hasta dispositivos pequeños como chips, servidores, electrónica de consumo y electrodomésticos. Dondequiera que haya electricidad, el refuerzo de un disipador de calor es sin duda necesario.
Especialmente en los servidores de computación de IA más críticos actualmente, el disipador de calor es un componente térmico vital. En el contexto de la refrigeración general del sistema, la integridad estructural y el rendimiento térmico del disipador son factores esenciales que determinan el funcionamiento estable a largo plazo del servidor.
Las placas de refrigeración líquida se consideran un disipador de calor iterativo y mejorado, que aprovecha el efecto de transferencia de calor convectivo del líquido para eliminar el calor de la fuente con mayor rapidez. La estructura de las aletas del disipador de calor se mantiene en las populares placas de refrigeración líquida de microcanal, donde la estructura de las aletas es significativamente más precisa. La separación entre aletas suele ser inferior a 1 mm, lo que impone requisitos extremadamente altos en la tecnología de mecanizado de precisión.
Materiales del disipador de calor
Los materiales principales son las aleaciones de cobre y aluminio, siendo el cobre el que predomina en el sector de la gestión térmica de alta gama. Los disipadores de calor de aleación de aluminio se utilizan principalmente en aplicaciones ambientales a gran escala donde los requisitos térmicos son relativamente menores, pero la integridad estructural y el aligeramiento son mayores, como en sistemas de energía eléctrica, energía fotovoltaica, aplicaciones automotrices y estaciones base de comunicaciones. Recientemente, han surgido nuevos materiales compuestos metálicos, como el aluminio basado en grafeno, los compuestos de diamante/aluminio y los compuestos de diamante/cobre.
Fabricación de disipadores de calor
Los métodos de fabricación actuales más comunes son el mecanizado CNC y el desbaste. Estos métodos ofrecen ventajas significativas en términos de eficiencia y coste de producción para disipadores de calor de tamaño mediano a grande. Sin embargo, presentan dificultades para el mecanizado de microdisipadores de calor de alta precisión y disipadores de calor estructurales complejos debido a los elevados requisitos de moldes y los elevados costes de utillaje.
Para disipadores de calor de aletas ultrafinas, como las placas de refrigeración líquida con microcanales, donde las separaciones entre canales son inferiores a 1 mm o incluso de 0.1 mm, se debe emplear la tecnología de impresión 3D de metal. Esta tecnología logra avances en rendimiento térmico gracias a su capacidad para crear estructuras complejas optimizadas específicamente para la disipación de calor. Por ejemplo, en las soluciones térmicas para tarjetas aceleradoras de computación de IA de alta gama, permite fabricar estructuras conformadas y no estándar que se ajustan perfectamente a la superficie del chip. Al aumentar el área de intercambio de calor, optimizar el diseño del canal de flujo y reforzar la mezcla de fluidos, esta tecnología logra una disipación de calor altamente eficiente, reduce el consumo de energía de la bomba y previene eficazmente el sobrecalentamiento localizado.
Además, para disipadores de calor con estructuras muy complejas, los métodos de mecanizado tradicionales requieren herramientas y preparación engorrosas, lo que conlleva una baja eficiencia de producción y altos costos. La tecnología de impresión 3D de metales resuelve perfectamente este problema y recientemente ha logrado avances significativos en soluciones de impresión para disipadores de calor de cobre.
