हीट सिंक इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को ठंडा करने के लिए उपयोग किए जाने वाले सबसे मूलभूत घटकों में से एक है। जब भी कोई ऊष्मा स्रोत अपनी स्वयं की चालन प्रक्रिया द्वारा ऊष्मा को प्रभावी ढंग से नष्ट नहीं कर पाता है और उसे अधिक कुशल शीतलन की आवश्यकता होती है, तो हीट सिंक का उपयोग ऊष्मा को स्रोत से दूर स्थानांतरित करने और अनुकूलित चालन और संवहन के माध्यम से उसे नष्ट करने के लिए किया जाता है।

हीट सिंक का व्यापक रूप से पावर इलेक्ट्रॉनिक्स, दूरसंचार उपकरण, सर्वर, एलईडी लाइटिंग, ऑटोमोटिव इलेक्ट्रॉनिक्स और औद्योगिक उपकरणों में उपयोग किया जाता है।

हीट सिंक की मूल संरचना

एक सामान्य हीट सिंक मुख्य रूप से दो भागों से मिलकर बना होता है:

• आधार

• जब तक

आधार आमतौर पर एक सपाट सतह होती है जो ऊष्मा स्रोत के सीधे संपर्क में होती है। इसका कार्य ऊष्मा के स्रोत से ऊष्मा को स्थानांतरित करना और उसे पंखों पर समान रूप से वितरित करना है।

हीट सिंक के कुल सतही क्षेत्रफल को बढ़ाने के लिए फिन्स को डिज़ाइन किया गया है। इन्हें विभिन्न प्रकार की ज्यामितियों में निर्मित किया जा सकता है और ऊष्मा अपव्यय को अधिकतम करने के लिए इन्हें आमतौर पर आधार से लंबवत स्थिति में रखा जाता है।

हीट सिंक का प्राथमिक डिजाइन लक्ष्य सतह क्षेत्र को अधिकतम करना है, जिससे आसपास की हवा में अधिक गर्मी स्थानांतरित हो सके।

ऊष्मा रोधक सामग्री

कुछ अपवादों को छोड़कर, हीट सिंक ऊष्मीय रूप से सुचालक धातुओं से बने होते हैं, जिनमें सबसे आम एल्यूमीनियम या तांबा है।

अल्युमीनियम

एल्युमिनियम हीट सिंक के लिए सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली सामग्री है।

• तापीय चालकता: 235 w/mk

• लाइटवेट

• प्रभावी लागत

• निर्माण में आसान

इन विशेषताओं के कारण एल्युमीनियम हल्के और किफायती हीट सिंक समाधानों के लिए आदर्श है।

ताँबा

कॉपर भी हीट सिंक के लिए एक लोकप्रिय सामग्री है।

• तापीय चालकता: ~400 w/mk

• उच्च ऊष्मा स्थानांतरण क्षमता

हालांकि तांबा भारी और अधिक महंगा होता है, फिर भी उच्च-प्रदर्शन वाले थर्मल अनुप्रयोगों में इसकी अक्सर आवश्यकता होती है।

प्राकृतिक संवहन बनाम बलपूर्वक संवहन

वायु प्रवाह की स्थितियों के आधार पर हीट सिंक को आमतौर पर दो श्रेणियों में वर्गीकृत किया जाता है।

प्राकृतिक संवहन (निष्क्रिय शीतलन)

पैसिव हीट सिंक ऊष्मा को दूर करने के लिए पूरी तरह से प्राकृतिक वायु प्रवाह पर निर्भर करते हैं।

इन्हें इस प्रकार डिज़ाइन किया गया है:

• सतह क्षेत्र को अधिकतम करें

• हवा को स्वाभाविक रूप से प्रसारित होने दें

• अतिरिक्त सक्रिय घटकों के बिना संचालित होता है

पैसिव हीट सिंक का उपयोग आमतौर पर कम विद्युत क्षमता वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में किया जाता है।

बलपूर्वक संवहन (सक्रिय शीतलन)

एक्टिव हीट सिंक पंखों या ब्लोअर का उपयोग करके पंखों के माध्यम से हवा को प्रवाहित करते हैं।

यह जबरन वायु प्रवाह अशांति पैदा करता है, जिससे ऊष्मा स्थानांतरण दक्षता और शीतलन प्रदर्शन में उल्लेखनीय वृद्धि होती है।

सक्रिय शीतलन समाधानों का व्यापक रूप से उपयोग निम्नलिखित क्षेत्रों में किया जाता है:

• सर्वर

• बिजली के इलेक्ट्रॉनिक्स

• उच्च-प्रदर्शन कंप्यूटिंग सिस्टम

सामान्य प्रकार के हीट सिंक

हीट सिंक के उत्पादन के लिए कई विनिर्माण प्रौद्योगिकियों का उपयोग किया जाता है, जिनमें से प्रत्येक अलग-अलग थर्मल आवश्यकताओं और अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त होती है।

1. स्टैम्प्ड हीट सिंक (बोर्ड-स्तर)

स्टैम्प्ड हीट सिंक का निर्माण शीट मेटल से प्रगतिशील स्टैम्पिंग प्रक्रियाओं का उपयोग करके किया जाता है। प्रत्येक स्टैम्पिंग चरण में धातु के डाई से गुजरने के साथ-साथ उसमें विशेषताएं और बारीकियां जुड़ती जाती हैं।

ये हीट सिंक आमतौर पर विशिष्ट इलेक्ट्रॉनिक पैकेज प्रकारों के लिए डिज़ाइन किए जाते हैं ताकि प्रिंटेड सर्किट बोर्ड (पीसीबी) पर इष्टतम फिट सुनिश्चित हो सके।

वे निष्क्रिय मोड में काम कर सकते हैं या बोर्ड भर में वायु प्रवाह बढ़ाने के लिए उनमें एक पंखा शामिल हो सकता है।

फायदे

• कम बिजली खपत वाले अनुप्रयोगों (0–5 वाट) के लिए आदर्श।

• त्वरित और सरल असेंबली

• कम विनिर्माण लागत

• उच्च मात्रा में उत्पादन के लिए स्केलेबल

• कई प्रकार के पैकेजों के लिए उपलब्ध है

नुकसान

• 5 वाट से अधिक के अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त नहीं है

• आकार सीमित (आमतौर पर 50 मिमी से कम)

• केवल एक ही उपकरण को ठंडा करने के लिए डिज़ाइन किया गया है

2. एक्सट्रूडेड एल्युमिनियम हीट सिंक

एक्सट्रूज़न हीट सिंक निर्माण की सबसे लोकप्रिय और लागत प्रभावी विधियों में से एक है।

उपयोग के आधार पर एक्सट्रूडेड हीट सिंक का आकार अलग-अलग होता है। छोटे आकार के हीट सिंक बोर्ड-स्तर की कूलिंग के लिए उपयोग किए जाते हैं, जबकि बड़े आकार के हीट सिंक मध्यम-शक्ति वाले थर्मल प्रबंधन के लिए डिज़ाइन किए जाते हैं।

फिन की ज्यामिति और उनके बीच की दूरी के आधार पर, इन्हें पैसिव और एक्टिव कूलिंग दोनों के लिए अनुकूलित किया जा सकता है।

बोर्ड-स्तर के एक्सट्रूडेड हीट सिंक का उपयोग आमतौर पर निम्नलिखित घटकों के लिए किया जाता है:

• बीजा

• एफपीजीए

एक्सट्रूज़न प्रक्रिया एक प्रोफ़ाइल डाई से शुरू होती है जो फिन की संरचना, रिक्ति और आधार आयामों को परिभाषित करती है। फिर गर्म एल्यूमीनियम को डाई के माध्यम से धकेला जाता है जिससे एक लंबी प्रोफ़ाइल बनती है, जिसे बाद में वांछित लंबाई में काटा जाता है और आगे संसाधित किया जाता है।

फायदे

• मध्यम शक्ति वाले अनुप्रयोगों के लिए आदर्श

• लागत प्रभावी उत्पादन

• बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए अत्यधिक अनुकूलनीय

• आसान अनुकूलन

• कम तापीय प्रतिरोध के साथ एकल-टुकड़ा निर्माण

नुकसान

• अत्यधिक उच्च शक्ति वाले अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त नहीं है

• आकार संबंधी सीमाएँ (लगभग 23 इंच चौड़ा और 47 इंच लंबा)

• बड़े प्रोफाइल में फिनिशिंग संबंधी सीमाएँ हो सकती हैं।

3. स्किम्ड फिन हीट सिंक

स्किमिंग एक मशीनिंग प्रक्रिया है जिसके द्वारा ठोस धातु के ब्लॉक से सीधे पंख बनाए जाते हैं। आधार से पतली परतें काटी जाती हैं और पंख बनाने के लिए उन्हें ऊपर की ओर मोड़ा जाता है।

क्योंकि पंख और आधार एक ही सामग्री के टुकड़े से बने होते हैं, इसलिए उनमें कोई जोड़ या इंटरफ़ेस नहीं होता है, जिससे थर्मल प्रतिरोध कम हो जाता है।

यह प्रक्रिया बहुत पतले पंखों और उच्च पंख घनत्व की भी अनुमति देती है, जिससे कुल सतह क्षेत्र में काफी वृद्धि होती है।

एक्सट्रूज़न के विपरीत, स्किमिंग के लिए किसी विशेष टूलिंग की आवश्यकता नहीं होती है, जिससे टूलिंग की लागत कम हो जाती है और प्रोटोटाइपिंग में तेजी आती है।

फायदे

• उच्च शीतलन दक्षता

• पतले पंख और उच्च पंख घनत्व

• टूलिंग लागत कम करें

• तांबे के हीट सिंक के लिए किफायती

नुकसान

• अत्यधिक उच्च-शक्ति वाले अनुप्रयोगों के लिए आदर्श नहीं है

• आकार की सीमाएँ

• पतले पंख अधिक नाजुक हो सकते हैं

• बहुत बड़े उत्पादन के लिए कम उपयुक्त

4. बॉन्डेड फिन और ब्रेज़्ड फिन हीट सिंक

बॉन्डेड फिन हीट सिंक में दो मुख्य घटक होते हैं:

• एक आधार (एक्सट्रूडेड या मशीनीकृत)

• ऊष्मा-चालक चिपकने वाले पदार्थ, एपॉक्सी या ब्रेज़िंग का उपयोग करके अलग-अलग पंखों को जोड़ा जाता है।

पंखों को आमतौर पर पतली शीट धातु से ढाला जाता है, जबकि आधार को एक्सट्रूड, डाई कास्ट या मशीनीकृत किया जा सकता है।

प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए हीट पाइप या वाष्प कक्ष जैसी अतिरिक्त थर्मल तकनीकों को भी आधार में एकीकृत किया जा सकता है।

बॉन्डेड फिन हीट सिंक अधिक डिजाइन लचीलापन प्रदान करते हैं और छोटे आकार में उच्च फिन घनत्व की अनुमति देते हैं।

फायदे

• सीमित स्थान वाले अनुप्रयोगों के लिए कॉम्पैक्ट डिज़ाइन

• उच्च तापीय प्रदर्शन

• बलपूर्वक संवहन के लिए उपयुक्त

• तंग फिन रिक्ति

• उच्च फिन पहलू अनुपात

• लचीला डिज़ाइन एकीकरण

• टूलिंग लागत कम करें

नुकसान

• उच्च कंपन वाले वातावरण के लिए उपयुक्त नहीं है

• यह तब उपयुक्त नहीं है जब आवश्यक तापीय प्रतिरोध 0.01° सेल्सियस/शरीर से कम हो।

5. ज़िपर फिन हीट सिंक

जिपर फिन्स व्यक्तिगत रूप से ढाली गई शीट मेटल फिन्स की एक श्रृंखला से बने होते हैं जिन्हें मोड़कर एक साथ इंटरलॉक किया जाता है।

इन पंखों को निम्न में से किसी भी प्रकार से व्यवस्थित किया जा सकता है:

• निर्देशित वायु प्रवाह के लिए बंद चैनल

• बहुदिशात्मक वायु प्रवाह के लिए खुली व्यवस्थाएँ

फिन स्टैक को आमतौर पर सोल्डरिंग, ब्रेज़िंग या एपॉक्सी बॉन्डिंग के माध्यम से हीट सिंक बेस या हीट पाइप से जोड़ा जाता है।

यह डिजाइन एकीकृत थर्मल समाधानों के लिए उत्कृष्ट यांत्रिक स्थिरता और उच्च लचीलापन प्रदान करता है।

फायदे

• उच्च तापीय प्रदर्शन

• जबरन वायु प्रवाह वाले अनुप्रयोगों के लिए आदर्श

• लचीला डिज़ाइन एकीकरण

• टूलिंग की लागत कम

• लाइटवेट

• हीट पाइप की दक्षता में सुधार कर सकता है

• बढ़ी हुई यांत्रिक स्थिरता

नुकसान

• अत्यंत कम तापीय प्रतिरोध आवश्यकताओं के लिए कुछ सीमाएँ

6. फोल्डेड फिन हीट सिंक

सतह क्षेत्र को बढ़ाने के लिए पतली धातु की चादरों को जटिल आकृतियों में मोड़कर फोल्डेड फिन्स बनाए जाते हैं।

इन फिन्स को आमतौर पर बेस से बॉन्ड या ब्रेज़ करके अंतिम हीट सिंक असेंबली बनाई जाती है। फोल्डेड फिन तकनीक का उपयोग लिक्विड कोल्ड प्लेट सॉल्यूशंस में भी किया जा सकता है।

फायदे

• सतह क्षेत्र में वृद्धि

• उच्च फिन दक्षता

• कई सामग्रियों के साथ संगत

• हल्की संरचना

नुकसान

• जब वायु प्रवाह को सीधे पंखों के माध्यम से प्रवाहित किया जाता है तो यह सर्वोत्तम प्रदर्शन करता है।

• कुछ मामलों में उत्पादन लागत अधिक होती है

7. डाई कास्ट हीट सिंक

डाई कास्ट हीट सिंक को पिघली हुई धातु को कस्टम मोल्ड में इंजेक्ट करके एकल-टुकड़ा संरचनाओं के रूप में उत्पादित किया जाता है।

यह विनिर्माण विधि उच्च मात्रा में उत्पादन के लिए आदर्श है और जटिल ज्यामितियों को बनाने की अनुमति देती है जिन्हें अन्य प्रक्रियाओं के माध्यम से प्राप्त करना मुश्किल होगा।

ढलाई के बाद, अंतिम उत्पाद प्राप्त करने के लिए न्यूनतम मशीनिंग और फिनिशिंग की आवश्यकता होती है।

फायदे

• उच्च मात्रा में उत्पादन के लिए आदर्श

• जटिल आकृतियों के लिए उपयुक्त

• कम या लगभग शून्य तापीय प्रतिरोध

नुकसान

• प्रारंभिक टूलिंग और मोल्ड की उच्च लागत