גוף קירור הוא אחד הרכיבים הבסיסיים ביותר המשמשים לקירור מכשירים אלקטרוניים. בכל פעם שמקור חום אינו יכול לפזר חום ביעילות באמצעות הולכה משלו ודורש קירור יעיל יותר, גוף קירור משמש להעברת חום הרחק מהמקור ופיזורו באמצעות הולכה והסעה אופטימליים.

גופי קירור נמצאים בשימוש נרחב באלקטרוניקה להספק, ציוד טלקומוניקציה, שרתים, תאורת LED, אלקטרוניקה לרכב ומכשירים תעשייתיים.

מבנה בסיסי של גוף קירור

גוף קירור טיפוסי מורכב בעיקר משני חלקים:

• בָּסִיס

• עַד

הבסיס הוא בדרך כלל משטח שטוח שיוצר מגע ישיר עם מקור החום. תפקידו להעביר חום מהנקודה החמה ולחלק אותו באופן שווה על פני הסנפירים.

הסנפירים נועדו להגדיל את שטח הפנים הכולל של גוף הקירור. ניתן לייצר אותם במגוון רחב של גיאומטריות והם בדרך כלל ממוקמים אנכית מהבסיס כדי למקסם את פיזור החום.

מטרת התכנון העיקרית של גוף קירור היא למקסם את שטח הפנים, מה שמאפשר העברת חום רבה יותר לאוויר שמסביב.

חומרי גוף הקירור

למעט יוצאים מן הכלל מעטים מאוד, גופי קירור עשויים ממתכות מוליכות חום, לרוב אלומיניום או נחושת.

אֲלוּמִינְיוּם

אלומיניום הוא החומר הנפוץ ביותר עבור גופי קירור.

• מוליכות תרמית: 235 וואט/מילי-קוליטר

• קַל מִשְׁקָל

• חסכוני

• קל לייצור

מאפיינים אלה הופכים את האלומיניום לאידיאלי לפתרונות גוף קירור קלים וחסכוניים.

נְחוֹשֶׁת

נחושת היא חומר פופולרי נוסף עבור גופי קירור.

• מוליכות תרמית: ~400 וואט/מ"ק

• יכולת העברת חום גבוהה יותר

למרות שנחושת כבדה ויקרה יותר, היא נדרשת לעתים קרובות ביישומים תרמיים בעלי ביצועים גבוהים.

הסעה טבעית לעומת הסעה כפויה

גופי קירור מסווגים בדרך כלל לשתי קטגוריות על סמך תנאי זרימת האוויר.

הסעה טבעית (קירור פסיבי)

גופי קירור פסיביים מסתמכים אך ורק על זרימת אוויר טבעית כדי להסיר חום.

הם נועדו ל:

• למקסם את שטח הפנים

• לאפשר לאוויר לזרום באופן טבעי

• לפעול ללא רכיבים פעילים נוספים

גופי חום פסיביים משמשים בדרך כלל במכשירים אלקטרוניים בעלי צריכת הספק נמוכה.

הסעה כפויה (קירור אקטיבי)

גופי קירור אקטיביים משתמשים במאווררים או מפוחים כדי לדחוף אוויר דרך הסנפירים.

זרימת אוויר מאולצת זו יוצרת מערבולת, מה שמגדיל משמעותית את יעילות העברת החום ואת ביצועי הקירור.

פתרונות קירור אקטיביים נמצאים בשימוש נרחב ב:

• שרתים

• אלקטרוניקה של כוח

• מערכות מחשוב בעלות ביצועים גבוהים

סוגים נפוצים של גופי קירור

מספר טכנולוגיות ייצור משמשות לייצור גופי קירור, כל אחת מתאימה לדרישות ויישומים תרמיים שונים.

1. גופי קירור מוטבעים (ברמת הלוח)

צלעות חום מוטבעות מיוצרות מפח מתכת באמצעות תהליכי הטבעה מתקדמים. כל שלב הטבעה מוסיף תכונות ופרטים ככל שהמתכת עוברת דרך התבנית.

גופי קירור אלה מתוכננים בדרך כלל עבור סוגי מארזים אלקטרוניים ספציפיים כדי להבטיח התאמה אופטימלית על מעגלים מודפסים (PCBs).

הם עשויים לפעול במצב פסיבי או לכלול מאוורר כדי להגביר את זרימת האוויר על פני הלוח.

יתרונות

• אידיאלי עבור יישומים בעלי צריכת חשמל נמוכה (0-5 וואט)

• הרכבה מהירה ופשוטה

• עלות ייצור נמוכה

• ניתן להרחבה לייצור בנפח גבוה

• זמין עבור סוגי חבילות רבים

חסרונות

• לא מתאים ליישומים מעל 5 וואט

• גודל מוגבל (בדרך כלל מתחת ל-50 מ"מ)

• מיועד לקירור מכשיר יחיד בלבד

2. כיורי חום מאלומיניום אקסטרוד

שיחול היא אחת משיטות ייצור צלעות הקירור הפופולריות והחסכוניות ביותר.

גודלם של גופי קירור אקסטרודיים משתנה בהתאם ליישום. גרסאות קטנות יותר משמשות לקירור ברמת הלוח, בעוד שגדולות יותר מיועדות לניהול תרמי בהספק בינוני.

ניתן למטב אותם הן לקירור פסיבי והן לקירור אקטיבי, בהתאם לגיאומטריה ולמרווח בין הסנפירים.

גופי קירור אקסטרודיים ברמת הלוח משמשים בדרך כלל עבור רכיבים כגון:

• אב"ג

• FPGA

תהליך האקסטרוזיה מתחיל בתבנית פרופיל המגדירה את מבנה הסנפיר, המרווחים ומידות הבסיס. לאחר מכן, אלומיניום מחומם נדחף דרך התבנית ליצירת פרופיל ארוך, אשר לאחר מכן נחתך לאורך הרצוי ומעובד עוד יותר.

יתרונות

• אידיאלי עבור יישומים בעלי עוצמה בינונית

• ייצור חסכוני

• ניתן להרחבה בקלות לייצור המוני

• התאמה אישית קלה

• מבנה מקשה אחת עם התנגדות תרמית נמוכה

חסרונות

• לא מתאים ליישומים בעלי הספק גבוה במיוחד

• מגבלות גודל (רוחב של כ-54 ס"מ ואורך של 114 ס"מ)

• לפרופילים גדולים עשויות להיות מגבלות גימור

3. צלעות קירור עם סנפירים מחוספסים

סקייבינג הוא תהליך עיבוד שבבי היוצר סנפירים ישירות מגוש מתכת מוצק. שכבות דקות נחתכות מהבסיס ומקופלות כלפי מעלה כדי ליצור סנפירים.

מכיוון שהסנפירים והבסיס עשויים מאותו פיסת חומר, אין חיבורים או ממשקים, מה שמפחית את ההתנגדות התרמית.

תהליך זה מאפשר גם סנפירים דקים מאוד וצפיפות סנפירים גבוהה, מה שמגדיל משמעותית את שטח הפנים הכולל.

בניגוד לאקסטרוזיה, סקיווינג אינו דורש כלים ייעודיים, מה שמוריד את עלויות ייצור הכלים ומאפשר ייצור אב טיפוס מהיר יותר.

יתרונות

• יעילות קירור גבוהה

• סנפירים דקים וצפיפות סנפירים גבוהה

• עלויות כלי עבודה נמוכות יותר

• חסכוני עבור גופי קירור נחושת

חסרונות

• לא אידיאלי עבור יישומים בעלי הספק גבוה במיוחד

• מגבלות גודל

• סנפירים דקים עשויים להיות שבירים יותר

• פחות מתאים לייצור גדול במיוחד

4. צלעות חום עם סנפירים מודבקים וסנפירים מולחמים

צלעות קירור עם סנפירים מחוברים מורכבות משני רכיבים עיקריים:

• בסיס (מחולץ או מעובד)

• סנפירים בודדים המחוברים באמצעות דבק מוליך תרמית, אפוקסי או הלחמה

הסנפירים בדרך כלל מוטבעים מפח מתכת דק, בעוד שהבסיס יכול להיות אקסטרודי, יצוק למות או מעובד במכונה.

ניתן לשלב בבסיס טכנולוגיות תרמיות נוספות כגון צינורות חום או תאי אדים כדי לשפר את הביצועים.

צלעות קירור עם סנפירים מחוברות מספקות גמישות עיצובית גדולה יותר ומאפשרות צפיפות סנפירים גבוהה יותר בתוך שטח קטן יותר.

יתרונות

• עיצוב קומפקטי ליישומים מוגבלים במקום

• ביצועים תרמיים גבוהים

• מתאים להסעה מאולצת

• מרווח סנפירים צר

• יחסי גובה-רוחב של סנפירים גבוהים

• שילוב עיצוב גמיש

• עלויות כלי עבודה נמוכות יותר

חסרונות

• לא אידיאלי לסביבות רטט גבוהות

• לא מתאים כאשר ההתנגדות התרמית הנדרשת נמוכה מ-0.01°c/w

5. צלעות קירור עם סנפיר רוכסן

סנפירי רוכסן עשויים מסדרה של סנפירי מתכת יריעה המוטבעים בנפרד, המקופלים ומשולבים יחד.

ניתן לסדר את הסנפירים הללו כך:

• תעלות סגורות לזרימת אוויר מכוונת

• תצורות פתוחות לזרימת אוויר רב כיוונית

ערימת הסנפירים מחוברת בדרך כלל לבסיס גוף הקירור או צינורות החום באמצעות הלחמה, הלחמה או חיבור אפוקסי.

עיצוב זה מציע יציבות מכנית מעולה וגמישות גבוהה לפתרונות תרמיים משולבים.

יתרונות

• ביצועים תרמיים גבוהים

• אידיאלי עבור יישומי זרימת אוויר מאולצת

• שילוב עיצוב גמיש

• עלות כלי עבודה נמוכה יותר

• קַל מִשְׁקָל

• יכול לשפר את יעילות צינור החום

• יציבות מכנית משופרת

חסרונות

• כמה מגבלות עבור דרישות התנגדות תרמית נמוכות במיוחד

6. צלעות קירור עם סנפירים מקופלים

סנפירים מקופלים נוצרים על ידי כיפוף יריעות מתכת דקות לצורות מורכבות כדי להגדיל את שטח הפנים.

סנפירים אלה בדרך כלל מודבקים או מולחמים לבסיס כדי ליצור את מכלול גוף הקירור הסופי. טכנולוגיית סנפירים מקופלים יכולה לשמש גם בפתרונות פלטות קור נוזליות.

יתרונות

• שטח פנים מוגדל

• יעילות סנפיר גבוהה

• תואם לחומרים מרובים

• מבנה קל משקל

חסרונות

• מתפקד בצורה הטובה ביותר כאשר זרימת האוויר זורמת ישירות דרך הסנפירים

• עלויות ייצור גבוהות יותר במקרים מסוימים

7. גופי קירור יצוקים

גופי קירור יצוקים מיוצרים כמבנים בני יחידה אחת באמצעות מתכת מותכת המוזרקת לתבניות בהתאמה אישית.

שיטת ייצור זו אידיאלית לייצור בנפח גבוה ומאפשרת גיאומטריות מורכבות שקשה להשיג באמצעות תהליכים אחרים.

לאחר היציקה, נדרשים עיבוד שבבי וגימור מינימליים כדי להגיע למוצר הסופי.

יתרונות

• אידיאלי לייצור בנפח גבוה

• מתאים לצורות מורכבות

• התנגדות תרמית נמוכה או כמעט אפסית

חסרונות

• עלויות גבוהות של כלי עבודה ותבנית ראשוניות