Guía de diseño de mecanizado de disipadores de calor CNC: consejos probados para mejorar el rendimiento térmico

Introducción: Por qué los disipadores de calor personalizados necesitan un diseño inteligente

Los dispositivos electrónicos dependen en gran medida de los disipadores de calor para disipar el calor, ya que el calor puede ser una de las principales causas de fallos electrónicos. El rendimiento de un disipador de calor viene determinado en gran medida por su capacidad para transferir el calor lejos del componente electrónico y del procesador.

Aunque existen muchos tipos diferentes de disipadores de calor, el más utilizado es el disipador de aluminio extruido. En cambio, el rendimiento de un disipador de calor personalizado mecanizado por CNC no tiene igual, especialmente cuando se trata de espacios compactos.

El mecanizado CNC proporciona al diseñador la máxima libertad de diseño, permitiendo diseños de aletas complejos, una planitud de base mejorada y, como beneficio adicional, la capacidad de combinar varias características de montaje en una sola configuración. En otras palabras, el mecanizado CNC de disipadores de calor ofrece al fabricante la máxima flexibilidad para proporcionar exactamente lo que el producto necesita para enfriarse de manera efectiva sin añadir material ni costes.

Esta guía le ofrece una serie de sugerencias sobre qué estrategias de diseño emplear, qué selecciones de materiales utilizar, así como las pautas clave de DFM (Diseño para Fabricación) que le ayudarán a diseñar productos de alto rendimiento en lugar de costarle cantidades excesivas de dinero por diseñar un producto difícil de fabricar.

Cómo funcionan los disipadores de calor y por qué importa la elección del material

Para planificar los consejos de diseño, es esencial comprender primero el proceso de dos pasos de cada disipador de calor: el calor debe ser absorbido del componente y luego eliminado a través del aire.

La conductividad térmica es lo que determina la rapidez con que el calor viaja a través del material del disipador, siendo el cobre de alrededor de 400 W/m·K y el aluminio de alrededor de 200 W/m·K, por lo que teóricamente el cobre superará al aluminio, pero no siempre.

Aquí hay un área que muchos ingenieros podrían pasar por alto: el flujo de aire alrededor de las aletas del disipador es lo que limita la cantidad de calor que se puede eliminar del disipador, y no la conductividad térmica una vez que el calor llega a esta área. De hecho, el aluminio es más rígido (en secciones transversales delgadas), más ligero y mucho más rentable en comparación con el cobre; por lo tanto, en casi todos los sistemas enfriados por aire, el uso de aluminio permite el mejor equilibrio general para el rendimiento del disipador.

Comparación rápida de materiales para el mecanizado de precisión de disipadores de calor

Entonces, ¿cuándo se elige el cobre? Cuando tiene una fuente de calor pequeña y concentrada, como una CPU de alta potencia o un diodo láser, y necesita extraer el calor extremadamente rápido antes de dispersarlo. Para todo lo demás, el aluminio 6061 o 6063 ofrece la mejor relación rendimiento-peso sin arruinar su presupuesto.

Métodos de fabricación de disipadores de calor por CNC comparados

Diferentes técnicas de fabricación funcionarán bien para diferentes métodos de refrigeración, pero todas tendrán sus propias compensaciones en precio, flexibilidad de diseño y rendimiento térmico.

Mecanizado de disipadores de calor con aletas cepilladas (skived)

Durante el cepillado (skiving), la cuchilla metálica de un cuchillo corta tiras finas de viruta del bloque original de material. El metal del que está hecho el disipador puede unirse al lado opuesto de la pieza base sin una junta térmica. Por lo tanto, el calor viaja directamente desde la base a las aletas sin ninguna resistencia.

Razones para adquirir disipadores de calor con aletas cepilladas:

• El más eficiente térmicamente (sin juntas unidas)

• Se pueden crear aletas muy finas (hasta 0.5 mm)

• Las aletas muy densas permiten diseños compactos

• Las aletas pueden ser más altas de lo que los disipadores extruidos pueden proporcionar.

El único inconveniente aquí es que las aletas pueden ser propensas a doblarse con una manipulación brusca. Sin embargo, para aquellas aplicaciones en las que cada grado de refrigeración será crítico, el cepillado suele ser el método ideal (por ejemplo, módulos IGBT automotrices, diodos láser, matrices LED de alta potencia).

Mecanizado de disipadores de calor extruidos

Un disipador de calor extruido consiste en aletas rectas fabricadas como una sola pieza lineal, pasando material de aluminio calentado a través de un dado de extrusión, creando un perfil alargado que luego se cortará en longitudes adecuadas después de salir del dado de extrusión. Este método se considera la forma más rápida y rentable de producir disipadores de calor. Si bien está limitado en cuanto a los tipos de relaciones de aspecto y geometrías que se pueden producir, es decir, no podrá fabricar un disipador de calor extruido con cortes transversales, aletas anguladas o matrices de aletas de pasador (pin fin).

Mecanizado de disipadores de calor con aletas unidas (bonded) y aletas de cremallera (zipper fin)

Con el mecanizado de disipadores de calor con aletas unidas y aletas de cremallera, las aletas individuales se fabrican por separado y luego se insertan o unen en las ranuras de la base mecanizada, lo que permite aletas significativamente más densas y altas de lo que permitiría el mecanizado de disipadores extruidos. Al plegar las aletas juntas en un disipador de aletas de cremallera, se obtiene un diseño de aletas muy compacto.

La compensación con ambos métodos, unido y de cremallera, es que las juntas de unión producirán una cantidad muy pequeña de resistencia térmica en comparación con un diseño de una sola pieza. Sin embargo, para aplicaciones de alto volumen en las que el flujo de aire disponible es limitado, el beneficio de la superficie adicional generalmente superará este pequeño aumento en la resistencia térmica.

Mecanizado de disipadores de calor con aletas de pasador (pin fin)

Las aletas de pasador se fabrican como un poste cilíndrico o cuadrado y se disponen de tal manera que producen un excelente rendimiento de refrigeración en todas las direcciones utilizando un flujo de aire omnidireccional. El uso de aletas de pasador proporcionará un diseño de disipador de calor más compacto al tiempo que maximiza el área de superficie total, por lo tanto, el mecanizado de disipadores de calor con aletas de pasador es la opción de disipador de calor comprimido más deseable.

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Mecanizado CNC vs. Extrusión: Cuándo elegir cada uno

Para el mecanizado de prototipos de disipadores de calor, el CNC es el claro ganador. Obtiene una pieza metálica funcional en días, no en semanas. Y cuando pase al mecanizado de disipadores de calor de alto volumen, el mismo programa CNC se amplía sin problemas.

Diseño para la eficiencia del flujo de aire y la convección

Mejorar el rendimiento térmico no se trata solo de añadir más aletas. Un mal flujo de aire anula por completo una buena geometría. Aquí están las reglas de diseño que realmente funcionan.

Pautas de espesor y espaciado de aletas

Sus aletas deben ser mecanizables. Demasiado delgadas, y se desvían durante el corte. Demasiado juntas, y las virutas quedan atrapadas, calentando la pieza en lugar de enfriarla.

Estos números no son sugerencias: son los límites reales de la fabricación. Si los supera, la calidad de su pieza disminuye o sus costos de mecanizado se disparan.

La relación de aspecto es el verdadero factor de costo

La relación de aspecto (altura de la aleta dividida por el espesor de la aleta) es probablemente el número más importante para su bolsillo. Una relación de 6:1 en aluminio requiere herramientas largas y flexibles que funcionen a avances lentos para evitar roturas. Si supera 6:1, corre el riesgo de sufrir vibraciones visibles (chatter) y defectos en la superficie que perjudican el rendimiento de refrigeración.

Si su modelo térmico exige aletas más altas que estos límites, deténgase. Considere el mecanizado de disipadores de calor con