Table of Contents
حلول لتحسين الإدارة الحرارية في الإلكترونيات
فالأجهزة الإلكترونية الحديثة تحشد المزيد من الطاقة إلى أماكن أصغر، وهذا التصغير المخفف الذي لا يطاق يولد ارتفاعاً في كثافة الحرارة، مما يجعل الإدارة الحرارية الفعالة أولوية تصميمية حرجة، وفي حين أن المصارف والمعجبين لا تزال ضرورية، فإن المهندسين يتحولون بصورة متزايدة إلى تقنيات هندسية سطحية خاصة، وإلى حلول متقدمة للضغط من أجل تعزيز التشت الحراري مباشرة على مستوى المكونات.
فهم التحديات الحرارية في مجال الإلكترونيات
فالهواء هو عدو الإلكترونيات، فكل مجهز ونموذج للطاقة، والبطارية، تولد الطاقة الحرارية أثناء التشغيل، وعندما لا تبتعد الطاقة بكفاءة، ترتفع درجات الحرارة الزارق إلى نصف الموصلات، ويمكن أن تزيد درجة الحرارة من 10 إلى 15 درجة مئوية فقط إلى النصف من العمر المتوقع للجهاز، وفي الفشل في استخدام الطاقة الكهربائية العالية الأداء والآلية، يتجاوز الـ 100 درجة مئوية.
ويزيد من حدة التحدي القيود المادية للتصميم الحديث، إذ أن الحواسيب المحمولة ذات الصلصة، والهواتف الذكية المدمجة، ورفوف الخواديم الكثيفة، ولافقارات المركبات الكهربائية لا تترك مجالاً كافياً لمعدات التبريد السوائب، ويجب على المهندسين أن يستخرجوا الحرارة من أسطح صغيرة وأن ينشروها بسرعة من خلال وصلات بينية إلى مغسلة حرارية أو هواء متحرك.
وتشمل أساليب الإدارة الحرارية المشتركة استخدام مواد الوصل الحراري مثل العواصف الحرارية، ومواد التغيير التدريجي، والزبدة الحرارية؛ وربط البواليع الحرارية وغرف البواب؛ وإدراج التبريد النشط مثل المراوح أو الحلقات السائلة، ويعتمد كل أسلوب على الاتصال الحراري بين المكونات، ويمكن أن يحسن هذا الاتصال بشكل كبير عن طريق الحد من التقريب السطحي وإضافة طبقة معدنية عالية السلوك.
دور الحلول في الإدارة الحرارية
ويشمل التعبئة إيداع طبقة رقيقة من المعدن السلوكي على طبقة فرعية، وفي تطبيقات الإدارة الحرارية، تعمل طبقة الطبق كمنشور حراري، أو مغسلة حرارية، أو وصلة حرارية مباشرة، ويحسن التغليف السلوك الحراري في الملتقى ويمكن أن يحمي أيضا من الأكسدة والتآكل والارتداء، وتستخدم تقنيات مختلفة تبعاً للمواد والجودة والسمك المطلوب.
الكهرباء
ويستخدم التكتل الكهربائي لتقليل المقذوفات المعدنية المذوفة وتوريدها إلى فتيل (المكون) ويستخدم على نطاق واسع في طلاء النحاس والنيكل، ويمكن تطبيق طبقات النحاس المُنثرة، التي عادة ما تتراوح بين 5 و50 ميكروم، على مصارف حرارة الألمنيوم لزيادة السير السطحي أو على أجهزة النحاس التي تزيد من سرعة الحرارة().
البلاستيك اللاهوت
لا يحتاج التلويث اللاهوت (ترسيب كيميائي غير ملوث) إلى تيار خارجي، ويستخدم عامل تخفيض كيميائي في حل لإيداع المعادن بصورة موحدة على جميع السطح، بما في ذلك المطياف المعقدة وغير الموصلية، وهذا مفيد بصفة خاصة بالنسبة للبلاستيك والسراميات المستخدمة في المساكن الإلكترونية، كما أن المعاطف الكهربية التي لا تُباع على سبيل المثال توفر طبقة معتدلة من الصبغة التآكلة(90).
الترسيب الفيزيائي للبابور (PVD) والنطق
وفيما يتعلق بالمعاطف فوق القاعية والعالية النقاء، تستخدم أساليب الترسب الفيزيائي مثل التلعثم، ويمكن لهذه التقنيات القائمة على الفراغ أن تودع المعادن (السيلفر، الذهب، الألومنيوم) بل وحتى الهياكل المتعددة الطوابق التي لها ختان ناوميتر، وتُستخدم المعاطف الفضية المتطاولة، التي تبلغ مسيرة حرارية تبلغ 429 دبليو/مكر، في نماذج خام.
أنواع مواد البلاستيك
ويتوقف اختيار المواد ذات اللوحة الصحيحة على الاحتياجات الحرارية، والسلوك الكهربائي، والكلفة، ومقاومة التآكل، والتوافق مع الشريحة الفرعية، وتتمتع ثلاثة أكثر المعادن شيوعاً - بالنحاس، والفضة، والنيكل - كل منها بمزايا متميزة.
بلاستيك نحاس
]Copper is the workhorse of thermal plating due to its high thermal conductivity, good ductility, and low cost. Electroplated copper can be applied to aluminum heat sinks to create aluminum bi metal interface that conducts heat far better than bare aluminum.
البلاستيك الفضي
(أ) توفر أعلى من التصريف الحراري والكهربائي لأي معدن، كما أن طبقة فضية مصففة على مغسلة حرارية أو حجرة حرارية يمكن أن تحقق الوصل الحراري الذي يتجاوز 420 و/م. ك.، وتُعتبر الفضة قيمة بوجه خاص في بيئات متطرفة مثل أجهزة الاستديو ذات الطاقة الليزرية العالية، والإلكترونيات الفضائية الجوية، والوصلات الفائقة التكلفة.
النيكل بلانغ
ويوفِّر Nickel] توازناً في السلوك الحراري (~90 W/m·K)، ومقاومة التآكل، والصعوبة، وكثيراً ما يُطبَّق كطبقة حاجز تحت الفضة أو كعنصر فضي للحماية النهائية، بينما تتميز الأوسمة النيكلية الفوسفورية بالوحدة الجيدة ويمكن تطبيقها على أجهزة الترسخين المعقّ.
الذهب والمعادن الواعدة الأخرى
وتستخدم اللصق الذهبي في المقام الأول لمقاومته للتآكل، وقابلية البيع الممتازة، وارتفاع درجة السلوك الكهربائي، كما أن أسلوبه الحراري (رقم 318 W/m) جيد أيضا، ولكن يحد من التكلفة من استخدامه في الاتصالات في المناطق الصغيرة، وأسلاك السندات، والوصلات ذات الموثوقية العالية، ويستخدم البلاديوم والروديوم في بعض الأحيان لمقاومة التآكل الشديد في البيئات القاسية، ولكن نادرا ما يتم اختيار الإدارة.
| Material | Thermal Conductivity (W/m·K) | Common Applications |
|---|---|---|
| Silver | 429 | High-power laser packaging, RF modules |
| Copper | 398 | Heat sink coatings, PCB heat spreaders |
| Gold | 318 | Bond wires, small-area thermal contacts |
| Nickel (electroless) | 90 | Protective overcoat, solderable interfaces |
| Aluminum (bulk) | 237 | Substrate reference |
فوائد حلول التعبئة للإدارة الحرارية
وتطبيق طبقة من اللصقات على المكونات الإلكترونية وأسطح نقل الحرارة يؤدي إلى تحسينات قابلة للقياس في الأداء الحراري وموثوقية النظم، وتشمل الفوائد الرئيسية ما يلي:
انخفاض المقاومة الحرارية في الوجوه
ويملأ البلاستيك الفراغات الميكروسكوبية وييسر الارتحال السطحي، ويزيد من منطقة الاتصال الفعالة، ويقلل ذلك من مقاومة الوصل الحراري (R) ) بين، على سبيل المثال، جهاز توليد الطاقة وغطاء الحرارة، وقد أظهرت الاختبارات أن النحاس الكهرومغناطيسي على الألومنيوم يمكن أن يقلل من المقاومة الحرارية الإجمالية بنسبة 15 إلى 30 في المائة.
تحسين نشر الحرارة
كما أن طبقة من معدن الموصلات العالية فوق طبقة فرعية من المواد الموصلية الأدنى تعمل كجهاز إضافي لتدفئة الحرارة، ويوجه الطاقة الحرارية بعيداً عن البقع الساخنة في حين أن مجموعة من المواد المحتوية على مادة الليدب، يمكن أن تقلل درجة حرارة التقاطع بمقدار 15 إلى 20 درجة مئوية، بحيث تمتد مباشرة إلى حياة الدرن المميتة بمقدار آلاف الساعات.
تعزيز التصويب وحماية المحور
فالوضع لا يؤدي إلى الحرارة فحسب بل يحمي أيضا المواد الأساسية، فالنيكل أو الفضة على النحاس تمنع الثمرة، مما يؤدي إلى زيادة المقاومة الحرارية بمرور الوقت، وهذا أمر حاسم في الإلكترونيات الآلية والصناعية حيث يمكن لتدوير الحرارة والرطوبة أن يتدهور السطح غير المشبع.
نظم التبريد الأصغر والألياف
ومن خلال تحسين كفاءة المسارات الحرارية القائمة، يمكن للطلاء أن يسمح للمهندسين بتقليص حجم المصاريف الحرارية أو خفض عدد الصنادل المبردة، مما يقلل في نهاية المطاف من وزن وحجم الحل العام للإدارة الحرارية - وهو ميزة كبيرة في الأجهزة المحمولة، وفي علم البحار، والمركبات الكهربائية.
التسامح في مجال التصنيع المستمر
ويمكن التحكم بدقة في عمليات التموين الكهربائي وغير الكهربائي لتحقيق سميك المعاطف في حدود 1 ميكروغرام، وهذا الاتساق يحسن من إمكانية إعادة إنتاج أداء الوصل الحراري، ويمكِّن من زيادة هامش التصميم، ويقلل من الحاجة إلى المعكرونة الحرارية أو مشغلات الثغرة.
اعتبارات التنفيذ
ويتطلب تحقيق التكامل الناجح في حلول التأقلم تقييما دقيقا للتوافق المادي، ومعايير عملية التكييف، ومراقبة الجودة، والعوامل التالية أساسية لتحقيق الأداء الحراري الأمثل.
المواد والإعداد
ويجب أن تكون المواد الفرعية نظيفة، ومتحررة من الأكسيدات، وأن تكون لها تقريب سطحي مناسب، فعلى سبيل المثال، تشكل الألومنيوم أكسيدا محليا يجب إزالتها قبل الإبلاط لضمان الارتداد القوي، وكثيرا ما تستخدم الصبغ أو النسيج لإعداد الألومنيوم للطلاء النحاسي أو النيكل اللاحق.
معامل التوسع الحراري
ويمكن أن يؤدي التدوير الحراري المكرر إلى إزالة التسرب إذا كان فريق التكنولوجيا المناخية للمعادن المصفوفة يختلف اختلافاً كبيراً عن المستوى الفرعي، أما النحاس (CTE:17 ppm/°C) فيمكن أن يعمل جيداً لأن الفرق معتدل وأن طبقة النحاس السميكة تستوعب السلالات، غير أن الطبقات الرقيقة من الفضة (CTE:19 ppm/°C)
ضبط العضلات
وتتناقص المقاومة الحرارية مع زيادة سمك اللوحات، ولكن حتى نقطة واحدة، فبعد " عمق الجلد " من الانتشار الحراري، لا يسهم المعدن الإضافي إلا بقدر ضئيل في انتشار الحرارة، مع إضافة التكاليف والوزن، ففيما يتعلق بالنحاس في البواليع الحرارية، عادة ما يتراوح سمكه بين 15 و 50 ميكروغراما، كما أن الطبقات المرنة قد تُحدث ضغطا متبقيا.
الاستقرار البيئي
وفي البيئات القاسية (الرطوبة العالية، والرذاذ الملحي، ودرجة الحرارة القصوى)، يجب أن تقاوم طبقة الطبق التآكل والتخدير، وتتطلب الفضة طلاءا وقائيا (مثلا، النيكل أو طبقة التسرب الرقيق) لمنع التارن الكبريتي، كما أن اختبارات النيكل الفوسفوري الدقيقة هي في جوهرها أكثر تآكلا في المعاطفة من النيكل الإلكتروني.
التكلفة ومن خلال الناتج
فالتكاليف تعتبر دائماً من الاعتبارات، فالبلازما والنيكل غير مكلفة نسبياً، في حين أن الفضة والذهب يمكن أن يزيدا تكلفة عنصر القطع عدة مرات، فالوضع على كميات كبيرة من الأجزاء الصغيرة فعال من حيث التكلفة باستخدام خطوط البرميل أو الرف، وبالنسبة للطلاء الانتقائي (مجالات معينة فقط من المكوِّنات)، يمكن استخدام تقنيات القناع المتخصصة أو الطلاء بالطائرة، ولكن يجب أن يضيف المصاريف على حساب الإنتاج الحراري.
الاتجاهات المستقبلية في وضع الإلكترونيات
والحركة نحو ارتفاع كثافة الطاقة في 5 جي، والمركبات الكهربائية، ومعدات الاستخبارات الاصطناعية تدفع تكنولوجيا اللصق إلى ما وراء المعادن التقليدية، وتعود المواد والعمليات الناشئة بقدر أكبر من الأداء الحراري والتكامل.
Graphene and Carbon Nanotube Composite Coatings
ويقوم الباحثون بتطوير حمّامات اللوتس المركب التي تدمج النانوبليتات الغرافينية أو نانووبات الكربون في مصفوفة معدنية (مثلاً، مركبات النحاس) ويمكن لهذه المواد أن تحقق السلوكيات الحرارية التي تتجاوز 500 دبليو/م/م/ك، مع الحفاظ على تركيز منخفض من ثاني أكسيد الكربون والوزن الخفيف، ومع ذلك في مجموعة المقاومة المتقدمة التي أجريت على الجرعة، فإن نسبة المقياس 30٪ من المقياسات
Diamond —Like Carbon (DLC) and Diamond Composites
ويتجاوز الماس إلى 200 2 مليون متر مربع، ويتجاوز كثيراً أي معدن، وفي حين أن المعاطف التقليدية للماس باهظة الثمن ويصعب إيداعها، فإن أفلام البخار الكيميائية (CVD) للماس تُطبق الآن على أنها موزعة للحرارة للمترجمين ذوي الطاقة العالية (GN)(10).
التدوينات المُعدَّلة والهيرمية
يمكن للمهندسين، عن طريق التحكم في حجم الحبوب والتوجه البلوري أثناء التكوين الكهربائي، أن ينتجوا المعاطف المجهزة بالنانووية مع التصريف الحراري الذي يقترب من القيم السائبة ولكن مع تحسين الممتلكات الميكانيكية، فعلى سبيل المثال، فإن النحاس النانوي المتناثري يطابق تقريباً النحاس النقي بينما يكون أقوى بكثير، ويمكن أن تصمد هذه المعاطف فوق الضغوط الحرارية، مما يجعلها مثالية بالنسبة للتعبئة المتقدمة([1]).
المبيدات المتعددة وأجهزة الطاعون
ويمكن لعمليات التعبئة أن تخلق طلاءات متدرج أو متعددة الطوابير تجمع بين فوائد المواد المتعددة، والتصميم المشترك هو كومة من النيكل المكلّف بالنحاس: النحاس من أجل ارتفاع القدرة على السير الحراري، والنيكل كطبقة حاجز، والفضة من أجل أقل مقاومة حرارية ممكنة عند الوصل، وبتصميم تركيبة سميكة، يمكن للمهندسين أيضاً أن يديروا قنوات التض الحرارية المدمجة.
خاتمة
وقد أصبحت حلول الصنع حجر الزاوية للإدارة الحرارية الحديثة في الأجهزة الإلكترونية، إذ إن تطبيق طبقات معدنية عالية السلوك على مصارف الحرارة، وشبه المكوّنات، والوصلات البينية، يمكن للمهندسين أن يحسنوا بشكل كبير تفكك الحرارة، ويخفضوا درجات الحرارة، ويمتد نطاق عمر الأجهزة، ويظل النحاس والفضة والنيكل هو الآفاق، ويعرضون على كل منايات المتميزة فيما يتعلق بالأداء الحراري، والتصميم على التنفيذ.