7 processos para fabricar dissipadores de calor

Este artigo abordará diversos processos de fabricação de dissipadores de calor, componentes essenciais para o resfriamento de componentes eletrônicos, como a CPU e a placa de vídeo do seu computador, evitando que queimem. Mostraremos como os engenheiros garantem o perfeito funcionamento desses dissipadores.

O que é um dissipador de calor?

Um dissipador de calor é um dispositivo que transfere o calor gerado pelo funcionamento do equipamento para manter sua operação normal, sendo aplicado a componentes como CPUs e GPUs de computadores. De acordo com o método de resfriamento, eles são divididos em vários tipos, como resfriamento a ar, resfriamento líquido e tubos de calor. Os principais materiais são ligas de cobre e alumínio, e também existem alguns materiais não metálicos, como termoplásticos de grafeno e cerâmica. A dissipação de calor é alcançada através do efeito combinado de condução, convecção e radiação térmica. Os processos de fabricação abrangem tecnologias como extrusão de alumínio e soldagem cobre-alumínio. O projeto e a fabricação das aletas afetam diretamente a eficiência da dissipação de calor.

Materiais para dissipador de calor

Os materiais predominantes utilizados para dissipadores de calor são ligas de cobre e alumínio.

• Cobre: ​​A condutividade térmica do cobre, de 380 a 420 W/mK, é significativamente melhor do que a das ligas de alumínio (que variam de 150 a 250 W/mK). Ele é usado principalmente em aplicações de gerenciamento térmico de alta performance, onde o desempenho é fundamental, como servidores de computação de IA, dispositivos de RF de alta potência, eletrônicos de consumo premium e resfriamento de GPU/CPU.
• Ligas de alumínioOs dissipadores de calor de alumínio são utilizados principalmente em aplicações ambientais de grande escala com requisitos térmicos relativamente baixos, mas com altas exigências de integridade estrutural e leveza, como em sistemas de energia, energia fotovoltaica (solar), automotivo e estações base de comunicação.
• Materiais não metálicos: Outros materiais, incluindo plásticos térmicos à base de grafeno e cerâmicas (por exemplo, carbeto de silício, nitreto de boro), também são utilizados.

Recentemente, surgiram novos materiais compósitos de matriz metálica, incluindo alumínio à base de grafeno, compósitos de diamante/alumínio e compósitos de diamante/cobre.

• Alumínio à base de grafeno: Este material é produzido modificando o alumínio através do processo de fundição. Ele não só aumenta a condutividade térmica da liga de alumínio, como também mantém suas excelentes propriedades estruturais e a leveza que a caracteriza. O alumínio à base de grafeno atualmente atinge uma condutividade térmica de 300-350 W/mK.
• Compósito de diamante/alumínio: O diamante possui uma condutividade térmica teórica de até 2000 W/mK. Ao modificar o alumínio com diamante, a condutividade térmica do compósito aumenta significativamente, atingindo atualmente 500-600 W/mK. No entanto, alcançar uma condutividade térmica mais elevada requer um maior teor de diamante, o que impacta negativamente o desempenho estrutural e de processamento do alumínio, e o alto custo do diamante afeta a relação custo-benefício geral do produto.
• Compósito diamante/cobre: ​​A utilização da alta condutividade térmica do diamante para modificar o cobre aumenta significativamente o desempenho térmico deste material. Os compósitos diamante/cobre podem atualmente atingir uma condutividade térmica de 600 a 1000 W/mK, dependendo do teor de diamante presente.

7 Processos de Fabricação de Dissipadores de Calor

Existem diversas tecnologias para fabricar dissipadores de calor, incluindo:

1. Usinagem CNC

usinagem CNC Não se trata de um processo único, mas sim de uma plataforma tecnológica. Um modelo digital 3D criado por um designer é convertido em instruções legíveis por máquina (normalmente código G) através de um software especializado. O sistema CNC controla então com precisão os motores e as ferramentas de corte para realizar automaticamente operações de corte, entalhe, perfuração e outras em materiais como metal, plástico ou madeira, produzindo uma peça física idêntica ao modelo digital.

Os principais processos de usinagem CNC incluem fresagem CNC (a ferramenta gira, a peça de trabalho permanece fixa) e torneamento CNC (a peça de trabalho gira, a ferramenta permanece fixa e se move). Outros incluem furação CNC, retificação e corte a fio.

• Usinagem avançada: A usinagem multieixos representa o que há de mais sofisticado em CNC. Uma máquina de 3 eixos é fundamental, processando apenas a parte superior e as laterais de uma peça, sendo incapaz de lidar com superfícies curvas complexas ou rebaixos. Uma máquina de 5 eixos, com um eixo A (rotação em torno de X) e um eixo C (rotação em torno de Z), permite que a ferramenta se aproxime da peça de trabalho a partir de qualquer direção, possibilitando a usinagem de geometrias altamente complexas (por exemplo, impulsores, peças estruturais aeroespaciais) com extrema precisão e eficiência.
• Vantagens: A usinagem CNC oferece altíssima precisão e repetibilidade, permitindo alcançar facilmente tolerâncias em nível micrométrico e produzir peças idênticas de forma consistente. É tipicamente utilizada na fase de prototipagem de dissipadores de calor e para fresar a base de dissipadores de calor fundidos ou forjados, garantindo a planicidade em relação à fonte de calor.
• Desvantagem: Por ser um processo de "fabricação subtrativa", gera uma certa quantidade de desperdício de material devido ao corte.

2. Extrusão de alumínio

Nesse processo, um tarugo de alumínio é aquecido até um estado amolecido (aproximadamente 400-500 °C abaixo de seu ponto de fusão de 660 °C). Uma enorme força hidráulica (de até milhares de toneladas) é usada para forçar o alumínio amolecido através de uma matriz com um formato de seção transversal específico (furo da matriz), resultando em um perfil infinitamente longo que corresponde à seção transversal da matriz. Finalmente, o perfil é cortado no comprimento necessário e passa por pós-processamento (por exemplo, corte, fresagem CNC, rosqueamento).

• Vantagens: Extrusão de alumínio É um processo de baixo custo e adequado para produção em massa e padronizada. É o processo de dissipação de calor mais comum no mercado, utilizado nas seções de aletas da maioria dos coolers de ar para CPU de baixo consumo e em dissipadores de calor comuns com perfil de alumínio.
• Limitação: A proporção entre altura e espessura das barbatanas é limitada, o que impossibilita a criação de barbatanas muito finas e altas.

3. Fundição sob pressão

fundição O processo envolve o aquecimento da liga de alumínio em um forno até que ela esteja completamente fundida. Um mecanismo de injeção então injeta o alumínio líquido em alta velocidade e alta pressão em um molde de aço de duas partes de alta precisão, onde ele esfria e solidifica rapidamente.

• Vantagens: Sua principal vantagem reside na moldagem em peça única, capaz de produzir dissipadores de calor com formatos complexos e estruturas compactas, como gabinetes para coolers de GPU e módulos de resfriamento de chips altamente integrados.
• Limitação: O processo é propenso a defeitos como porosidade e contração, resultando em condutividade térmica ligeiramente inferior.

4. Forjamento

A forja, análoga à forja do ferro por um ferreiro, é um processo mecanizado que utiliza moldes. Um bloco de liga de alumínio é aquecido até a temperatura de forjamento (normalmente abaixo do ponto de fusão, mas atingindo excelente plasticidade) e colocado na metade inferior de uma matriz de forjamento. A metade superior da matriz fecha-se rapidamente sob imensa pressão (proveniente de uma máquina de forjamento), comprimindo o bloco para preencher toda a cavidade do molde, formando assim a forma e o tamanho desejados.

Vantagens: Como envolve deformação plástica em vez de fusão, os grãos metálicos internos fluem e se refinam ao longo da direção da deformação, resultando em uma estrutura densa. As peças forjadas geralmente apresentam resistência mecânica e condutividade térmica superiores às peças fundidas.

5. Estampagem

A estampagem é um processo de trabalho a frio que utiliza uma prensa e matrizes especializadas para aplicar pressão em chapas metálicas (geralmente bobinas ou peças brutas), fazendo com que se separem ou se deformem plasticamente para atingir a forma e o tamanho desejados.

Principais aplicações em dissipadores de calor:

Fabricação de aletas de dissipadores de calor: Esta é a aplicação mais crucial e de maior porte. As aletas densas da maioria dos coolers de ar de gama média a alta são fabricadas por estampagem. A estampagem permite a incorporação de diversas estruturas funcionais nas aletas, como mecanismos de travamento (para aletas com formato de pinça), guias de fluxo de ar e furos para redução de peso, algo impossível com extrusão de alumínio.

Fabricação de peças estruturais e auxiliares: Isso inclui suportes metálicos para montagem do dissipador de calor na CPU/placa-mãe, bases de parafuso com mola (geralmente feitas de aço de alta resistência ou aço inoxidável), clipes de retenção da ventoinha e capas decorativas.

Vantagens: A estampagem oferece uma eficiência de produção extremamente alta. As modernas prensas de alta velocidade podem produzir centenas ou até milhares de peças altamente consistentes por minuto. Após a criação das ferramentas, o custo por peça é muito baixo, tornando-a ideal para a produção em massa.

Limitações: O alto custo de projeto e fabricação de matrizes progressivas de precisão significa que esse processo é adequado apenas para produção em larga escala. Ele se limita a peças de chapa metálica fina e não consegue produzir componentes 3D sólidos e pesados ​​(como bases de dissipadores de calor).

6. Corte de fio

Serviço de corte de arameA usinagem por eletroerosão a fio (WEDM, na sigla em inglês) utiliza um fio metálico extremamente fino (normalmente de molibdênio ou cobre) em movimento contínuo como eletrodo. Uma descarga pulsada ocorre entre o fio e a peça de trabalho, gerando altas temperaturas instantâneas que derretem e vaporizam o metal localmente para realizar o corte.

O fio do eletrodo e a peça de trabalho mantêm uma distância mínima entre si, o que significa que não há contato físico direto. Isso resulta em uma força de corte mínima, evitando a deformação da peça e permitindo o processamento de peças muito finas ou facilmente deformáveis. Além disso, o equipamento pode cortar qualquer material condutor, independentemente de sua dureza.

• Aplicação em dissipadores de calor: Sua aplicação mais difundida e importante é na fabricação de ferramentas. A eletroerosão a fio (WEDM) é o método preferido para criar os insertos complexos e de alta precisão para punções e matrizes em matrizes progressivas usadas para estampagem de aletas. Esses insertos são feitos de aço ferramenta extremamente duro e resistente ao desgaste (por exemplo, SKD11, DC53), que os métodos mecânicos tradicionais têm dificuldade em processar, especialmente na formação de cantos vivos e folgas pequenas.
• Limitações: A velocidade de processamento é lenta em comparação com processos de alto volume, como estampagem ou extrusão. Há também desgaste do eletrodo, que é mais perceptível com fios de movimento rápido, embora fios de movimento lento compensem isso por meio de técnicas de corte múltiplo.

7. Barbatana entalhada

O corte por aletas, também conhecido como skiving, é um processo especial de corte para a fabricação de aletas metálicas finas. Ao contrário da estampagem (separação do material) ou da extrusão (forçamento do material através de uma matriz), o skiving utiliza uma lâmina especializada para aplainar com precisão a placa de base fixa. Durante o corte, a lâmina corta e dobra o metal removido, formando uma aleta vertical em vez de descartá-lo como sucata. Este processo apresenta diversas vantagens, incluindo:

Resistência térmica por contato zero: As aletas e a base são "cultivadas" a partir de um único bloco de material, formando um monólito completo. Isso garante uma transferência de calor perfeita da base até a ponta da aleta, eliminando a resistência térmica por contato proveniente de juntas mecânicas ou soldagem. Essa é a razão fundamental para o excelente desempenho dos dissipadores de calor com aletas usinadas.

Aletas altas, finas e densas: Ajustando as ferramentas e os parâmetros do processo, é possível produzir aletas com uma relação de aspecto (relação altura/espessura) muito alta. Por exemplo, pode-se criar facilmente uma matriz de aletas densas com apenas 0.2 mm de espessura e mais de 20 mm de altura, algo inatingível com extrusão de alumínio. A espessura/espaçamento mínimo entre as aletas é de cerca de 0.08 mm, embora a altura seja limitada a 2-3 mm.

Excelente resistência e rigidez estrutural: A estrutura monolítica torna a raiz da quilha muito forte e menos suscetível a deformações causadas por vibração ou impacto, oferecendo muito mais estabilidade do que conjuntos de quilhas "through-fin" ou "buckle-fin".

Flexibilidade de design: Aletas de diferentes alturas e espaçamentos podem ser criadas no mesmo dissipador de calor para otimizar o fluxo de ar e a eficiência térmica, por exemplo, tornando as aletas mais altas e densas sobre a fonte de calor central.

Aplicações: Os dissipadores de calor com aletas chanfradas são usados ​​principalmente em aplicações que exigem desempenho térmico e confiabilidade extremos, como resfriadores de ar para chips de alta potência e placas frias de microcanais em cabeçotes de resfriamento líquido.

Acabamentos de superfície do dissipador de calor

As superfícies metálicas não tratadas dos dissipadores de calor apresentam uma estrutura rugosa que dificulta a transferência de calor. Além disso, a camada de óxido atua como isolante e o próprio metal é suscetível à corrosão em ambientes agressivos. Os tratamentos de superfície resolvem esses problemas.

Anodização

Serviço de anodização É adequado para dissipadores de calor de alumínio e ligas de alumínio. Normalmente, envolve a aplicação de uma corrente elétrica externa em um ambiente de ácido sulfúrico para formar uma película de óxido na superfície do dissipador. Isso compensa eficazmente as deficiências na dureza superficial e na resistência ao desgaste da liga de alumínio. Ao contrário da pintura eletrostática a pó tradicional, a anodização não afeta a capacidade de resfriamento do dissipador, o que a torna popular entre os fabricantes.

• Vantagens: Alta dureza, resistência ao desgaste e à corrosão, bom isolamento (tensão de ruptura superior a 200 V) e disponível em várias cores (geralmente preto). O processo é consolidado, estável e com custos controláveis.
• Desvantagens: A camada de óxido introduz alguma resistência térmica, afetando ligeiramente a dissipação de calor final (embora o desempenho geral seja excelente). A cor predominante é o preto, podendo outras cores apresentar efeitos ligeiramente inferiores.
• Aplicação: A opção mais utilizada para aletas e bases de coolers de CPU/GPU.

galvanoplastia

galvanoplastia Consiste em depositar uma fina camada de outro metal ou liga metálica sobre a superfície metálica do dissipador de calor. Esse processo previne a oxidação da superfície e melhora a resistência ao desgaste, a condutividade, a refletividade, a resistência à corrosão e a estética. É uma abordagem econômica e científica para fornecer uma superfície protetora e decorativa.

• Niquelagem: Oferece excelente resistência à corrosão e uma aparência texturizada branco-prateada. Comumente usada para proteger bases ou conectores de cobre. O revestimento é uniforme, adequado para formatos complexos, mas uma camada muito espessa pode reduzir a eficiência térmica (a condutividade térmica do níquel é de 90 W/mK).
• Cromagem: Proporciona alta dureza e alta refletividade (benéfica para radiação térmica). Possui um aspecto brilhante, sendo frequentemente utilizada em peças decorativas.
• Revestimento em prata: Teoricamente oferece condutividade térmica excepcional de 429 W/mK, próxima aos 398 W/mK do cobre puro, porém com custo elevado. Utilizado principalmente em aplicações de ponta ou especializadas, como dispositivos aeroespaciais e de radiofrequência.

Oxidação por Micro-Arco

Micro oxidação por arco é um avanço da anodização que forma um revestimento superior. Ao combinar os parâmetros elétricos e do eletrólito, uma descarga de arco gera altas temperaturas e pressões instantâneas, fazendo crescer um revestimento cerâmico modificado na superfície de metais de válvulas (como alumínio, magnésio, titânio) e suas ligas. Este revestimento consiste principalmente do óxido do metal base, complementado por componentes do eletrólito, e suas propriedades anticorrosivas e de resistência ao desgaste são significativamente melhores do que anodização tradicional.

• Vantagens: Dureza extremamente alta (próxima à da cerâmica), resistência superior ao desgaste e à corrosão, bom isolamento e forte adesão entre a película e o substrato. Pode aumentar significativamente a emissividade da superfície de ligas de alumínio.
• Desvantagens: Alto custo. A película é relativamente espessa, o que significa que sua condutividade térmica é menor do que a da anodização, impactando negativamente a eficiência de resfriamento. A cor geralmente é branco-acinzentada ou cinza-escura.
• Aplicação: Frequentemente utilizado em cenários térmicos especiais com exigências extremamente elevadas de resistência ao desgaste e à corrosão, como dissipadores de calor em determinados ambientes militares, aeroespaciais ou industriais severos.

Como o Getzshape pode ajudar?

A Getzshape é sua parceira essencial na fabricação de dissipadores de calor em alumínio, cobre ou outros materiais avançados. Ao aproveitar nossa rede certificada e fábrica própria, a Getzshape pode lidar com a usinagem CNC, serviço de fundição sob pressãoe eletroerosão a fio (EDM) são necessárias para dissipadores de calor de alto desempenho, garantindo que as peças finais atendam aos requisitos necessários para alcançar a eficiência térmica de próxima geração.