Ao desmontar certos dispositivos eletrônicos, como computadores ou eletrodomésticos, sempre encontramos um bloco metálico em sua estrutura interna. Esse bloco metálico é o dissipador de calor e um dos componentes mais cruciais para a dissipação térmica geral do dispositivo eletrônico. Sem ele, o calor acumulado não conseguiria ser liberado ou trocado com o ambiente externo.
O que é um dissipador de calor?
Um dissipador de calor é um dispositivo projetado para transferir o calor operacional de um equipamento, mantendo seu funcionamento normal. Ele é aplicado principalmente a componentes essenciais, como CPUs e GPUs (placas de vídeo) de computadores. De acordo com o método de resfriamento, eles são classificados em vários tipos, incluindo resfriamento a ar, resfriamento líquido e tecnologia de tubos de calor. Os principais materiais utilizados são ligas de cobre e alumínio, embora materiais não metálicos, como grafeno, plásticos termicamente condutores e cerâmicas (por exemplo, carboneto de silício, nitreto de boro), também sejam empregados.
A dissipação de calor é alcançada através da ação sinérgica da condução térmica, convecção e radiação. Os processos de fabricação abrangem técnicas como extrusão de alumínio e união de cobre-alumínio. O design e a conformação das aletas impactam diretamente a eficiência da dissipação térmica.
Tipos de dissipadores de calor
Os dissipadores de calor apresentam inúmeras variedades devido às diferenças de material e geometria estrutural. Abaixo, apresentamos alguns tipos comuns de dissipadores de calor.
Dissipador de calor com aletas dobradas
As aletas dobradas são produzidas utilizando um método de estampagem progressiva. Em seguida, as aletas são coladas à base para formar o dissipador de calor, utilizando epóxi termicamente condutor, brasagem, soldagem ou ligações metalúrgicas similares. Uma vantagem dos dissipadores de calor com aletas dobradas é a possibilidade de integrar alumínio e cobre, permitindo a personalização do desempenho do dissipador para uma aplicação específica. Se o calor precisar ser dissipado por uma base de dissipador de calor grande, o cobre pode ser usado devido à sua alta condutividade térmica, enquanto as aletas do dissipador podem ser fabricadas em alumínio devido ao seu baixo peso e custo.
Dissipador de calor com barbatana desbastada
Dissipadores de calor com aletas cortadas utilizam um único bloco de material (cobre ou alumínio) e empregam uma máquina de corte especializada com um processo de corte de alta precisão para recortar estruturas de aletas de alta densidade, altas e extralongas. Dissipadores de calor com aletas cortadas superam as limitações impostas pela espessura e proporção dos dissipadores de calor tradicionais, permitindo a criação de dissipadores com aletas de alta densidade. As aletas e a base são monolíticas (peça única). Como a base e as aletas são integradas em uma única peça, não há resistência térmica adicional. Combinada com a alta pureza do material cortado, a eficiência dos dissipadores de calor com aletas cortadas é significativamente maior do que a dos dissipadores soldados, com eficiência de condutividade térmica atingindo um nível comparável ao de perfis extrudados.
O processo de desbaste também é aplicado nas placas frias líquidas de microcanais, que se tornaram muito populares recentemente, com o objetivo de aumentar a área de superfície específica para troca de calor e melhorar o efeito da transferência de calor por convecção.
O fluxograma do processo de fabricação de dissipadores de calor com aletas cortadas é o seguinte:
- Preparação da matéria-prima: Os perfis são normalmente selecionados com base nos requisitos do dissipador de calor para maximizar a economia de matéria-prima.
- Ferramentaria/Moldagem: Os moldes são criados de acordo com as dimensões do produto, permitindo a produção de um ou vários produtos por molde; as operações podem ser contínuas ou peça por peça.
- Usinagem CNC: Isso inclui fresar seções indesejadas, fresar ranhuras para anéis de vedação, etc.
- Processo de desbaste: O processo de desbaste é executado utilizando uma máquina de desbaste CNC.
- Fresagem (Nivelamento): Este processo é realizado utilizando uma fresadora de engrenagens.
- Usinagem secundária: Com base nos desenhos do produto, esta etapa envolve a fresagem de rebarbas nas bordas, a furação de furos no centro, a criação de folgas (cortes de desvio), o fresamento de superfícies, a usinagem de furos roscados e a criação de elementos de fixação (assentos de fivela), etc.
- Tratamento de superfície: anodização, galvanoplastia e outros.
Dissipador de calor de alumínio extrudado
Os dissipadores de calor de perfil de alumínio caracterizam-se pela sua aparência estética, leveza, excelente desempenho térmico e boa eficiência energética. A superfície dos dissipadores de calor de perfil de alumínio acabados recebe um tratamento de oxidação anódica para aumentar a resistência à corrosão, ao desgaste e o apelo visual do alumínio . Os dissipadores de calor de alumínio extrudado são geralmente utilizados em componentes e sistemas térmicos de alta potência. A tecnologia permite a criação de estruturas de aletas complexas através de moldes. Essas aletas complexas aumentam significativamente a área de dissipação de calor, reduzindo simultaneamente o custo e o tempo associados à usinagem de blocos de alumínio.
Dissipador de calor com aletas coladas
Os dissipadores de calor com aletas coladas são normalmente fabricados usando um processo de montagem que envolve a colagem de uma camada de aletas metálicas finas a uma base ou substrato.
O fluxograma geral do processo de fabricação de dissipadores de calor com aletas coladas é o seguinte:
- Preparação: A base e as aletas, geralmente feitas de alumínio ou cobre, são cuidadosamente limpas para garantir um processo de colagem bem-sucedido.
- Colagem: As aletas são então coladas à base usando um material adesivo, como epóxi ou um composto de transferência térmica. O material adesivo é normalmente aplicado uniformemente na base, e as aletas são colocadas sobre ele, aplicando-se pressão para garantir uma colagem firme.
- Cura: O material adesivo é então curado, normalmente por meio de aquecimento ou luz ultravioleta (UV), para formar uma ligação permanente entre as aletas e a base.
- Montagem: Caso o dissipador de calor necessite de componentes adicionais, como parafusos de fixação ou materiais de interface, os ajustes necessários serão feitos nesta etapa.
Dissipador de calor com aleta de zíper
Este tipo de dissipador de calor integra aletas de alumínio com tubos de calor. Orifícios são perfurados nas aletas de alumínio de acordo com o projeto estrutural, e tubos de calor com as dimensões especificadas são inseridos, seguidos de colagem e soldagem. A vantagem reside na utilização do efeito de mudança de fase do tubo de calor para aumentar a eficiência geral da transferência de calor do dissipador. Além disso, as aletas externas de alumínio aumentam significativamente a área de superfície de troca de calor por unidade de volume, dissipando rapidamente o calor para o ambiente externo por meio da transferência de calor por convecção do ar.
Naturalmente, existem muitos outros tipos de dissipadores de calor não abordados aqui. No entanto, os tipos comuns mencionados acima são os mais frequentemente utilizados em dispositivos eletrônicos atuais.
Aplicações de dissipadores de calor
A aplicação de dissipadores de calor é onipresente, abrangendo desde grandes setores como aeroespacial, energia elétrica, metalurgia, energia fotovoltaica, transporte ferroviário, automotivo e estações base de comunicação, até pequenos dispositivos como chips, servidores, eletrônicos de consumo e eletrodomésticos. Onde houver eletricidade, o reforço com um dissipador de calor é certamente necessário.
Principalmente nos servidores de computação de IA mais críticos da atualidade, o dissipador de calor é um componente térmico extremamente vital. No contexto do resfriamento geral do sistema, a integridade estrutural e o desempenho térmico do dissipador de calor são fatores essenciais para determinar a operação estável a longo prazo da unidade do servidor.
As placas frias líquidas são consideradas uma forma de dissipador de calor aprimorada e iterativa, utilizando o efeito de transferência de calor por convecção do líquido para remover o calor da fonte mais rapidamente. A estrutura das aletas do dissipador de calor é semelhante à das populares placas frias líquidas de microcanais, onde a estrutura das aletas é significativamente mais precisa. O espaçamento entre as aletas é tipicamente inferior a 1 mm, o que impõe requisitos extremamente elevados à tecnologia de usinagem de precisão.
Materiais para dissipador de calor
Os principais materiais são ligas de cobre e alumínio, com o cobre dominando o setor de gerenciamento térmico de alta performance. Dissipadores de calor de liga de alumínio são utilizados principalmente em aplicações ambientais de grande escala, onde os requisitos térmicos são relativamente menores, mas os requisitos de integridade estrutural e redução de peso são maiores, como em sistemas de energia elétrica, células fotovoltaicas, aplicações automotivas e estações base de comunicação. Recentemente, novos materiais compósitos metálicos surgiram, incluindo alumínio com base em grafeno, compósitos de diamante/alumínio e compósitos de diamante/cobre.
Fabricação de dissipadores de calor
Os principais métodos de fabricação atuais são a usinagem CNC e o corte por extrusão (skiving). Esses métodos oferecem vantagens significativas em termos de eficiência de produção e custo para dissipadores de calor de médio a grande porte. No entanto, apresentam dificuldades na usinagem de microdissipadores de calor de alta precisão e dissipadores de calor com estruturas complexas devido às exigências excessivamente altas em relação aos moldes e aos custos muito elevados das ferramentas.
Para dissipadores de calor com aletas ultrafinas, como placas frias líquidas com microcanais, onde os espaçamentos entre os canais são inferiores a 1 mm ou chegam a 0.1 mm, a tecnologia de impressão 3D em metal deve ser empregada. Essa tecnologia proporciona avanços significativos no desempenho térmico devido à sua capacidade de criar estruturas complexas otimizadas especificamente para a dissipação de calor. Por exemplo, em soluções térmicas para placas aceleradoras de computação de IA de alto desempenho, ela permite a fabricação de estruturas conformáveis e não padronizadas que se ajustam perfeitamente à superfície do chip. Ao aumentar a área de troca de calor, otimizar o design do canal de fluxo e intensificar a mistura do fluido, essa tecnologia alcança uma dissipação de calor altamente eficiente, reduz o consumo de energia da bomba e previne eficazmente o superaquecimento localizado.
Além disso, para dissipadores de calor com estruturas altamente complexas, os métodos tradicionais de usinagem resultam em ferramentas e preparação trabalhosas, levando a baixa eficiência de produção e altos custos. A tecnologia de impressão 3D em metal resolve perfeitamente esse problema e recentemente alcançou avanços significativos em soluções de impressão para dissipadores de calor de cobre.
