طراحی هیت‌سینک آلومینیومی و پروفیل LED

هر چراغ LED و هر برد الکترونیک قدرت، دیر یا زود به یک مانع مشترک می‌رسد: دمای پیوند (Junction). با افزایش جریان عبوری از دیود، نور بیشتری می‌گیرید اما گرمای بیشتری هم تولید می‌شود؛ و هر ۱۰ درجه افزایش دمای پیوند، طول عمر دیود را کوتاه و رنگ نور را جابه‌جا می‌کند. کار هیت‌سینک این است که این گرما را از تراشه به هوای اطراف منتقل کند و برای بخش عمدهٔ کاربردهای روشنایی و الکترونیک، پروفیل آلومینیومی اکسترودشده مقرون‌به‌صرفه‌ترین راه انجام این کار است.

طراحی درست هیت‌سینک یا پروفیل LED فقط اضافه‌کردن فلز نیست. هندسهٔ فین، انتخاب آلیاژ، پوشش سطح و محدودیت‌های فیزیکی پرس اکسترود، همگی روی هم اثر می‌گذارند. همهٔ این عوامل سرانجام در یک عدد خلاصه می‌شوند: مقاومت حرارتی — مقدار پیوند تا محیط یا Rθ(j-a) بر حسب درجهٔ سانتی‌گراد بر وات (°C/W) — که نشان می‌دهد به‌ازای هر وات گرمایی که تراشه دفع می‌کند، دمای پیوند چند درجه بالاتر از محیط می‌رود؛ عدد کمتر یعنی LED خنک‌تر و عمر بیشتر. هر تصمیمی که در ادامه می‌آید، در نهایت تلاشی برای پایین‌آوردن همین عدد است؛ تا مقطعی که سفارش می‌دهید، گرمای موردنظر را دفع کند، تمیز نصب شود و در حجم تولید هم قابل ساخت با تلورانس باشد.

چرا آلومینیوم انتخاب پیش‌فرض هیت‌سینک است

مس بهتر از آلومینیوم گرما را هدایت می‌کند — حدود ۳۸۵ در برابر تقریباً ۲۰۰ وات بر متر-کلوین — اما نزدیک به سه برابر سنگین‌تر و به‌مراتب گران‌تر است و نمی‌توان آن را به‌صرفه به فین‌های نازک و عمیق اکسترود کرد. آلومینیوم درست در نقطهٔ تعادل هدایت حرارتی، وزن کم، مقاومت به خوردگی و شکل‌پذیری قرار می‌گیرد. مهم‌تر اینکه اکسترود اجازه می‌دهد یک مقطع فین‌دار پیچیده در یک مرحله تولید شود؛ به‌طوری‌که فین‌ها، بدنه، کانال برد (PCB) و اجزای نصب، همه به‌صورت یک تکهٔ پیوسته از فلز شکل بگیرند.

این یکپارچگی از نظر حرارتی اهمیت دارد: هر اتصال یا فصل مشترک حرارتی میان منبع گرما و فین‌ها، مقاومت اضافه می‌کند. یک پروفیل اکسترود یک‌تکه، مسیر هدایت را کوتاه و بدون شکست نگه می‌دارد و سپس در طول دلخواه بریده می‌شود؛ به این ترتیب یک قالب واحد می‌تواند از یک کانال LED باریک ۲۰ میلی‌متری تا یک هیت‌سینک قدرت ۲۰۰ میلی‌متری را پوشش دهد.

هندسهٔ فین و عملکرد حرارتی

ضخامت بدنه، ضخامت و ارتفاع فین، و گام

هیت‌سینک با پخش‌کردن گرما از یک منبع کوچک روی سطح بزرگی که در معرض هوا قرار دارد کار می‌کند. ضخامت بدنه (ریشه) تعیین می‌کند که گرما پیش از رسیدن به فین‌ها چقدر خوب در راستای جانبی پخش شود؛ اگر بدنه بیش‌ازحد نازک باشد، درست زیر قطعه یک نقطهٔ داغ ایجاد می‌شود. فین‌ها سطح لازم را فراهم می‌کنند، اما اثربخشی‌شان به‌سمت نوک کاهش می‌یابد: یک فین بلند و نازک سطح اضافه می‌کند اما در طول خود گرما را کم‌بازده‌تر هدایت می‌کند؛ پس از یک حد، عملاً فلزی افزوده‌اید که به‌سختی در تبادل گرما شرکت می‌کند.

متغیرهای هندسی اصلی که باید میان آن‌ها توازن برقرار کرد عبارت‌اند از:

• ضخامت بدنه — گرما را از منبع در سراسر آرایهٔ فین‌ها پخش می‌کند؛ معمولاً ۳ تا ۸ میلی‌متر بسته به میزان تمرکز بار حرارتی.
• ضخامت فین — فین ضخیم‌تر بهتر هدایت می‌کند و راحت‌تر اکسترود می‌شود، اما تعداد فینی که در یک عرض معین جا می‌گیرد را کم می‌کند.
• ارتفاع و تعداد فین — ارتفاع و تعداد بیشتر یعنی سطح بیشتر، با بازدهی نزولی هرچه به نوک فین نزدیک می‌شویم.
• گام فین (فاصلهٔ میان فین‌ها) — باید با رژیم جریان هوا هماهنگ باشد؛ گام بیش‌ازحد تنگ، همرفت طبیعی را خفه می‌کند.
• زاویهٔ شیب (Draft) — یک شیب اندک روی هر فین، جریان فلز و عمر قالب را بهبود می‌دهد و به خروج قطعه از قالب کمک می‌کند.

همرفت طبیعی در برابر همرفت اجباری

رژیم جریان هوا، هندسهٔ بهینه را کاملاً تغییر می‌دهد. در همرفت طبیعی که هوای گرم خودبه‌خود بالا می‌رود، فین‌ها به فاصلهٔ سخاوتمندانه — معمولاً ۶ تا ۱۲ میلی‌متر — نیاز دارند تا لایهٔ مرزی شناور خفه نشود، و هیت‌سینک باید طوری نصب شود که فین‌ها عمودی باشند. در همرفت اجباری که یک فن هوا را از میان کانال‌ها می‌راند، می‌توان فین‌ها را بسیار متراکم‌تر چید، چون هوا صرف‌نظر از شناوری به جلو رانده می‌شود و سطح بیشتری در ازای توان فن به‌دست می‌آید. طراحی فین‌های تنگ‌گام برای یک چراغ غیرفعال، یکی از رایج‌ترین و پرهزینه‌ترین اشتباه‌هاست.

انتخاب آلیاژ مناسب

برای هیت‌سینک و پروفیل LED، سری ۶۰۰۰ انتخاب بدیهی است و گزینش نهایی به تعادل میان هدایت حرارتی، استحکام، اکسترودپذیری و کیفیت سطح برمی‌گردد. ۶۰۶۳-T5 پرکاربردترین گزینهٔ این حوزه است: هدایت حرارتی در حدود ۲۰۱ تا ۲۰۹ وات بر متر-کلوین، اکسترودپذیری عالی برای فین‌های نازک، و سطحی تمیز که به‌خوبی آنودایز می‌شود. آلیاژ ۶۰۶۰ رفتاری مشابه با پرداخت سطحی حتی ظریف‌تر و استحکام کمی پایین‌تر دارد که برای کانال‌های LED تزئینی مناسب است. جایی که پروفیل باید بار سازه‌ای یا گیره‌ای هم تحمل کند — بدنه‌های بزرگ یا کاربردهای بیرونی — آلیاژ ۶۰۰۵A-T6 استحکام مکانیکی بالاتری با افت اندکی در هدایت حرارتی ارائه می‌دهد.

از آنجا که هم هدایت حرارتی و هم خواص مکانیکی به درست‌بودن ترکیب شیمیایی و عملیات حرارتی وابسته‌اند، هر ذوب باید با گزارش کوانتومتری (اسپکترومتری) پشتیبانی شود. این تنها راه اطمینان از آن است که واقعاً همان آلیاژی را دریافت می‌کنید که محاسبهٔ حرارتی بر پایهٔ آن انجام شده، نه یک آلیاژ ظاهراً مشابه که گرم‌تر از دیتاشیت کار می‌کند.

پوشش سطح: آنودایز چگونه اعداد را تغییر می‌دهد

آلومینیوم خام با سطح کارخانه‌ای، تابشگر حرارتی ضعیفی است — ضریب گسیل (Emissivity) آن تنها حدود ۰٫۰۵ تا ۰٫۱ است و عملاً گرمای اندکی را از راه تشعشع دفع می‌کند. آنودایز، به‌ویژه آنودایز مشکی، ضریب گسیل سطح را تا حدود ۰٫۸ بالا می‌برد که در حالت‌های همرفت طبیعی و کاربردهایی که تشعشع در آن‌ها غالب است، دفع گرما را به‌طور محسوسی بهبود می‌دهد. افزون بر این، لایهٔ آندی مقاومت به خوردگی، سطح سخت‌تر و عایق الکتریکی اضافه می‌کند — که وقتی برد LED یا برد با هستهٔ فلزی مستقیماً روی پروفیل نصب می‌شود، ارزشمند است. یک لایهٔ آنودایز تزئینی تا کاربردی معمولاً حدود ۱۰ تا ۲۵ میکرون است و آن‌قدر نازک است که مانع محسوسی برای هدایت حرارت ایجاد نمی‌کند.

ملاحظات ویژهٔ طراحی پروفیل LED

پروفیل LED یک هیت‌سینک با وظایف اضافه است. علاوه بر دفع گرما، باید نوار برد (PCB) را دقیق جای دهد، درپوش دیفیوزر یا لنز را بپذیرد و راهی برای نصب و بستن سرِ مقطع فراهم کند. رویهٔ درست این است که فلز را پیوسته و مسیر حرارتی را کوتاه نگه دارید — از صفحهٔ زیر LED، از کف کانال، تا دیوارهٔ پشتی یا فین‌ها — تا گرما مجبور نشود از یک پل نازک عبور کند. محل اتصال به این فلز به‌اندازهٔ خودِ فلز اهمیت دارد: برد با هستهٔ فلزی (MCPCB) را روی کف کانالی صاف و صیقلی، با یک لایهٔ نازک ماده واسط حرارتی (خمیر، پد یا چسب حرارتی) و فشار تماس کافی بنشانید تا حباب‌های هوا خارج شوند؛ چون حتی یک اکسترود بی‌نقص هم نمی‌تواند بردی را که تنها روی چند برجستگی با آن تماس دارد خنک کند. عرض کانال باید برد را با گیر (اینترفرنس) سبک نگه دارد، شیار درپوش باید دیفیوزر را بدون ابزار جا بیندازد یا بلغزاند، و نشیمنگاه پیچ یا بال‌های نصب باید در خودِ اکسترود شکل بگیرند، نه اینکه بعداً افزوده شوند.

انواع توکار، روکار، گوشه‌ای و آویز اغلب می‌توانند یک خانواده از قالب‌ها را به اشتراک بگذارند؛ پس ارزش دارد از همان ابتدا مشخص شود که خط محصول به کدام سبک‌های نصب نیاز دارد. لبه‌های نازک دیفیوزر و کانال‌های عمیق و باریک، دقیقاً همان ویژگی‌هایی هستند که به مرز محدودیت‌های اکسترود فشار می‌آورند؛ و اینجاست که محدودیت‌های ساخت در بخش بعد اهمیت پیدا می‌کنند.

محدودیت‌های اکسترود که باید حول آن‌ها طراحی کرد

یک مقطع از نظر حرارتی بی‌نقص، اگر نتوان آن را صاف و در ابعاد درست اکسترود کرد، بی‌ارزش است. فین‌های عمیق و نازک نسبت زبانهٔ بالایی (عمق شکاف به عرض آن) دارند که به قالب فشار می‌آورد و مرز پیشروی هندسه را روی یک پرس معین محدود می‌کند. گذارهای تیز از ضخیم به نازک، جریان ناهمگون فلز و اعوجاج ایجاد می‌کنند؛ پس محو‌کردن اتصال بدنه به فین‌ها، مقطع را صاف نگه می‌دارد. تقارن به خروج یکنواخت فلز کمک می‌کند. اندازهٔ کلی مقطع با دایرهٔ محیطی که پرس پشتیبانی می‌کند محدود می‌شود — اینجا تا ۱۷۸ میلی‌متر، هرچند هیت‌سینک‌های عمیق و پرفین در عمل درون دایرهٔ مؤثر کوچک‌تری جای می‌گیرند، چون مقطع با فین متراکم دشوارتر از یک شمش ساده تغذیه می‌شود. افزون بر این، هر فین به حداقل ضخامت دیواره — حدود ۱ میلی‌متر — نیاز دارد تا مطمئن پر شود. طراحی با درنظرگرفتن این محدودیت‌ها، در کنار طراحی و ساخت قالب در داخل مجموعه و بازرسی ابعادی ۱۰۰٪ در کیان مهر (واقع در اراک، استان مرکزی)، همان چیزی است که یک هیت‌سینک را هم پرعملکرد و هم قابل‌ساخت نگه می‌دارد.