Dissipadores de Calor Explicados: Função, Design e Processo de Fabricação

Dispositivos eletrônicos como computadores pessoais geram calor durante a operação. A eletricidade percorre os vários fios e componentes do dispositivo, encontrando resistência ao longo do caminho, e essa resistência gera calor, elevando rapidamente a temperatura do dispositivo.

Se não controlado, esse calor pode ter consequências desastrosas para o dispositivo: componentes como a unidade central de processamento (CPU) são frágeis e não suportam temperaturas extremamente altas; superaquecimento pode, portanto, levar a mau funcionamento ou danos permanentes.

Felizmente, muitos dispositivos eletrônicos e mecânicos previnem esse problema usando dissipadores de calor (ou heatsinks): componentes especiais que dissipam calor de áreas importantes do dispositivo para mantê-lo frio e funcionando.

Apesar de seu pequeno tamanho, os dissipadores de calor são componentes incrivelmente importantes e podem ser feitos de muitas maneiras diferentes. Este artigo analisa como os dissipadores de calor funcionam, as vantagens dos dissipadores de calor, os diferentes tipos de dissipador de calor e como eles são fabricados.

O que é um dissipador de calor?

Um dissipador de calor é um tipo de trocador de calor passivo cuja função é regular a temperatura de um dispositivo eletrônico ou mecânico. Ele transfere calor de um componente gerador de calor para um fluido (ar ou refrigerante líquido), permitindo que o calor se dissipe para longe do dispositivo.

Os dissipadores de calor funcionam usando um condutor térmico para retirar calor de uma fonte de calor, direcionando-o para sua própria grande área de superfície que entra em contato com o meio de resfriamento, ou seja, ar ou outro fluido. A necessidade de uma grande área de superfície é por que os dissipadores de calor tipicamente consistem em uma base conectada a várias aletas ou pinos muito estreitos: esta forma é a melhor maneira de encaixar a maior área de superfície possível em um determinado volume.

Usados em uma variedade de indústrias, os dissipadores de calor são frequentemente usados para resfriar componentes de computador como CPUs e GPUs, bem como transistores de potência e lasers.

Determinar se um dissipador de calor é necessário — e que tipo — envolve estabelecer a temperatura máxima de junção de operação de um circuito. Se a temperatura de operação for excedida, levará a mau funcionamento ou quebra da peça. Em geral, componentes com temperatura máxima de operação mais baixa (ou que simplesmente geram muito calor) requerem dissipadores de calor mais eficazes.

Vantagens dos dissipadores de calor

A função central de um dissipador de calor é regular a temperatura e prevenir superaquecimento. Isso proporciona vantagens como:

• Prevenir superaquecimento
• Prevenir falha ou quebra de peças
• Fornecer calor caso a temperatura caia muito

Tipos de dissipador de calor

Dissipadores de calor geralmente consistem em uma base sólida com projeções saindo dela. Mas a forma e o tamanho dessas projeções afetam o desempenho do dissipador. As variedades mais comuns de dissipador de calor incluem:

• Dissipador de calor com pinos (Pin-fin heat sink): Dissipadores pin-fin têm pinos que se estendem da base. Eles oferecem a maior área de superfície de todos os tipos de dissipadores e são melhores em situações de baixo fluxo de ar (ou fluxo de ar aleatório/multidirecional). Os pinos podem ter diferentes formatos:
  • Cilíndricos
  • Elípticos
  • Quadrados
• Dissipador de calor com aletas planas (Plate fin heat sink): Mais comuns que dissipadores pin-fin, dissipadores de aletas planas têm aletas retangulares que se estendem da base. Eles são o melhor tipo de dissipador quando o fluxo de ar é unidirecional.
• Dissipador de calor com aletas expandidas (Flared fin heat sink): Uma variação do dissipador de aletas planas, dissipadores de aletas expandidas têm um arranjo de aletas expandido e diminuem a resistência ao fluxo.

Alguns dissipadores de calor têm ventiladores acoplados, e dissipadores desse tipo podem ser chamados de dissipadores ativos ou dissipadores com ventoinha. Aqueles sem ventiladores podem ser chamados de dissipadores passivos. Ventiladores fornecem uma fonte constante de fluxo de ar, o que melhora a funcionalidade do dissipador.

Materiais para dissipadores de calor

Dissipadores de calor são tipicamente feitos de ligas de alumínio ou cobre, com o material geralmente determinado pela aplicação, intensidade de calor, método de produção e orçamento.

Alumínio dissipadores de calor são geralmente feitos de alumínio 1050 (muito condutor termicamente, mas baixa resistência) ou alumínio 6060, 6061 ou 6063 (menos condutivos, mas com melhores propriedades mecânicas). Os dissipadores de calor mais acessíveis são geralmente feitos de liga de alumínio.

Cobre dissipadores de calor oferecem excelente condutividade térmica — é duas vezes mais condutivo que o alumínio — além de resistência à corrosão, resistência antimicrobiana e outras propriedades desejáveis. Isso torna os dissipadores de cobre uma escolha premium; no entanto, o cobre é mais caro que ligas de alumínio e geralmente mais difícil de conformar.

Métodos de fixação do dissipador de calor

O método de fixação do dissipador de calor é a forma como o dissipador é montado no componente cuja temperatura está tentando regular, ex: CPU de um computador.

Métodos de fixação incluem fita termicamente condutiva (para dissipadores de baixa massa), epóxi (ligação mecânica forte, mas irreversível), clipes, clipes de arame em Z, pinos de pressão de latão/plástico, ou espaçadores roscados (para dissipadores muito grandes).

Fatores que afetam o desempenho do dissipador de calor

Várias variáveis afetam como um dissipador de calor performa e quão eficaz é na dissipação de calor de um componente como uma CPU. Fatores importantes de desempenho do dissipador incluem:

• A condutividade térmica do material do dissipador (ex: cobre ou liga de alumínio)
• O tamanho do dissipador
• O tipo, número e arranjo das aletas no dissipador
• O tamanho dos dutos entre cada aleta
• O coeficiente de transferência de calor
• A taxa de fluxo de ar

Como fabricar dissipadores de calor

Como você faz um dissipador de calor? Isso depende de vários fatores, como o tamanho e material do seu dissipador, e o tipo de fabricante. A fabricação de dissipadores de calor pode realmente envolver uma gama de tecnologias de produção, incluindo fundição e fresagem CNC.

Extrusão

Extrusão, o processo de forçar tarugos de metal quente através de uma matriz de aço, é a maneira mais comum de fazer dissipadores de calor de alumínio. É um método rápido, eficaz e econômico para fazer dissipadores de calor de materiais dúcteis como alumínio 1050. Dissipadores de alumínio extrudados são tipicamente anodizados antes do uso.

Skiving (Corte em lâminas)

Skiving ou scarfing, o processo de cortar material em fatias, é um processo de manufatura comum para a produção de dissipadores de aletas planas e expandidas. O processo permite aletas mais finas e mais compactas que a extrusão, e também fornece um nível de rugosidade superficial, que aumenta ligeiramente a área de superfície total.

Fundição (Casting)

Fundição, o processo de verter metal fundido em um molde, é outra forma de fazer dissipadores de calor — alumínio ou cobre. Dissipadores de fundição sob pressão podem ter alto nível de complexidade e oferecer excelentes propriedades mecânicas. Fundição sob pressão também é às vezes usada para fazer dissipadores de zinco.

Fresagem (Milling)

Fresagem, o processo subtrativo de cortar material de uma peça bruta, é uma maneira acessível de fazer dissipadores de calor com praticamente qualquer forma geométrica, a partir de materiais como ligas de alumínio. Dissipadores fresados (ou usinados) podem ser mais caros que alternativas, especialmente em grandes quantidades, mas também podem ser feitos muito rapidamente. Saiba mais sobre usinagem de alumínio.

Impressão 3D

Avanços recentes na manufatura aditiva de cobre tornaram dissipadores de calor impressos em 3D uma alternativa viável aos seus equivalentes tradicionais. Tecnologias de fusão de leito de pó e deposição de energia direta têm sido usadas com mais sucesso para este propósito.

Para fabricar um dissipador de calor com a 3ERP usando um processo como usinagem CNC, extrusão ou fundição de baixo volume, entre em contato para um orçamento gratuito.