Por que os dissipadores de calor com isolamento elétrico são tão raros? É apenas custo?

Edit: Parece que minha pergunta inicial (por que não existem dissipadores de calor isolantes?) Foi baseada em uma premissa falsa e, de fato, existem dissipadores de calor isolantes - eu simplesmente não consegui encontrá-los com uma pesquisa superficial. Então, em vez disso, estou mudando isso para perguntar sobre sua raridade.

Os dissipadores de calor parecem ser quase universalmente feitos de alumínio, cobre ou alguma combinação deles. Isso faz sentido; alumínio e cobre são fáceis de trabalhar e possuem alta condutividade térmica. Mas o diamante tem uma das mais altas condutividades térmicas de qualquer substância conhecida - é óbvio, é claro, que o diamante do tipo adequado para uso como dissipador de calor seria extremamente caro para dizer o mínimo, pois provavelmente teria que ser um único cristal de qualidade gema, mas não seria possível usar, por exemplo, nitreto cúbico de boro, que possui condutividade térmica semelhante?

E sim, as dificuldades de fabricação de um grande cristal único de c-BN provavelmente seriam as mesmas de um grande cristal único de diamante, mas espero que o preço final não seja tão grande porque não há um grupo da De Beers venha atrás de nitreto de boro. E certamente existem outros compostos não metálicos com boa condutividade térmica, e alguns deles provavelmente seriam mais adequados para a fabricação. Duvido que eles consigam se aproximar do preço do alumínio extrudado, mas às vezes você precisa de um desempenho mais alto.

Então, em resumo, minha pergunta é: é apenas o custo que torna os dissipadores de calor não metálicos tão raros ou existem outras desvantagens que os tornam menos desejáveis ​​fora das aplicações mais esotéricas?

Uma coisa que outras respostas não parecem ter coberto é que você só precisa de uma camada muito fina de isolador elétrico (em tensões modestas), enquanto a parte do dissipador de calor de um dissipador de calor funciona melhor se for grossa. Portanto, é mais eficiente usar uma barreira fina de isolamento elétrico seguida por um dissipador de calor de metal grosso, barato e fácil de fabricar do que seria usar uma única peça de um material termicamente condutor e eletricamente isolante. Os poucos materiais que existem (como diamante) não podem ser extrudados ou facilmente moldados em forma de dissipador de calor. Alguns podem ser sinterizados, mas geralmente não conseguem atingir a condutividade térmica do material a granel. O efeito de engenharia de toda essa ciência dos materiais é que acabamos fazendo o que sempre fizemos.

Outro fator são as políticas de estoque: estocando dissipadores de calor robustos e volumosos e um número menor (como nem sempre são necessários) de pequenas almofadas isolantes delicadas, seu estoque ocupa menos espaço de armazenamento e capital do que se você estocasse dois tipos de dissipador de calor volumoso. Custo e desempenho são melhores sem o isolador quando não é necessário.

Este dificilmente é um problema novo; aqueles de nós de uma certa idade se lembram dos dissipadores de calor com isoladores de mica para as embalagens TO-220 e TO-3.

A questão (na época) era de custo e disponibilidade de materiais e ciência de materiais. Percorremos um longo caminho em nosso entendimento da condutividade térmica de vários compostos ao longo dos anos, mas ainda é uma tecnologia relativamente nova (existem coisas como almofadas termicamente condutoras que existem há décadas, mas que na verdade não são realmente dissipadores de calor por si só. certo).

O TO-220 possui um espalhador de calor no coletor / dreno do dispositivo, que geralmente está em uma tensão elevada, de modo que o arranjo típico utilizava esta técnica:

Fonte .

Não era incomum usar também alguma pasta térmica para maximizar a transferência de calor.

Agora, isso realmente não explica a raridade relativa de dissipadores de calor isolados; isso realmente se resume a 'é necessário' ou posso simplesmente usar o método bem conhecido de um dissipador de calor e um material de barreira eletricamente isolante que é mais barato (pelo menos hoje em dia).

O antigo método testado e verdadeiro serviu bem por muitas décadas, mas para algumas aplicações (particularmente aquelas em dispositivos pequenos), essa solução pode não ser adequada.

Há muito poucos ofertas disponíveis , mas eles tendem a ser um pouco mais caro (em uma base por watt). Há também muita pesquisa em outros materiais .

Obviamente, para o fator bling, você pode usá- los .

Portanto, tudo se resume a várias coisas e o custo é um dos principais fatores. Também observarei que um grande mercado de dissipadores de calor é para CPUs e GPUs, onde o gabinete do IC é eletricamente isolado de qualquer maneira.

Os dissipadores de calor de polímero merecem menção. Dissipadores de calor de polímero não são incomuns. De vez em quando me deparo com dissipadores de calor de polímeros, industriais, automotivos e bens de consumo. Eles geralmente são difíceis de reconhecer como dissipadores de calor, porque podem ter uma segunda finalidade mecânica (um gabinete, um suporte, um refletor de uma lâmpada). Esses dissipadores de calor são sempre peças moldadas por injeção personalizadas.

$\mathrm{20 \frac {W} {m\cdot K} }$$\mathrm{200 \frac {W} {m\cdot K} }$

E2 é o plástico ( fonte )

Alguma discussão adicional nesta resposta antiga .

O problema de um dissipador de calor é que, na verdade, existem apenas duas maneiras de eliminar o calor, a condução e a radiação.

Portanto, supondo que sua emissividade esteja razoavelmente próxima de 1 (realmente importa se você pode aquecer QUENTE, a perda de energia causada pela radiação é a quarta potência da temperatura absoluta) e você pode fazer com que a coisa tenha um bom contato térmico com a mídia de resfriamento ao redor (ar). , água, o que for), o que você produz apenas importa um pouco (essa interface é a melhor para o desempenho, não a condutividade térmica do dissipador de calor).

Agora, claramente, você precisa projetar o dissipador de calor para que o calor o atravesse razoavelmente eficientemente e na área em que há muita densidade de fluxo de energia que possa argumentar sobre algo que não seja aliado, para a maior parte da coisa em que você tem bastante metal para manter o delta T baixo, o mais barato é o melhor.

Para um espalhador de calor ou arruela isolante, é diferente, é claro, por definição, os espalhadores de calor são usados ​​onde a densidade do fluxo de energia é muito alta e a resistência térmica mínima é uma coisa muito boa, daí o uso usual de cobre nessa função.

Para o isolador, você vê materiais exóticos usados, porque um bom condutor térmico que também é um isolador elétrico não é tão comum; portanto, o nitreto de boro, a alumina, o óxido de berílio (!) E similares, todos vêem o serviço aqui, e eu não seria chocado por alguém usando diamante (provavelmente em algum dispositivo de RF estranho).

Do ponto de vista técnico, certamente é possível fabricar dissipadores de calor com almofadas isoladoras embutidas. A razão pela qual eles não fazem isso é a economia.

Entre as diferentes opções mecânicas, elétricas e térmicas, existem muitas combinações diferentes. Se o isolador e o dissipador de calor fossem uma parte, os fornecedores teriam que estocar muito mais números de peça únicos.

Considerando o isolador e o dissipador de calor em produtos exclusivos, o usuário tem muito mais opções.

Aqui estão algumas das coisas a considerar.

1) Em muitos casos, o usuário usará espaçadores entre dissipadores de calor e componentes quentes para detectar folgas nas tolerâncias mecânicas. Isso significa que cada usuário deseja que o bloco tenha uma espessura diferente.

2) Os materiais da almofada do isolador térmico variam de acordo com a capacidade de adaptação às superfícies rugosas. Geralmente, existe uma troca entre o quão mole o material é e o quão bom ele conduz o calor.

3) Usuários diferentes terão requisitos de isolamento diferentes em termos de tensão. Existe uma troca entre a tensão de isolamento, a espessura do material e a resistência térmica.

3) A adição de um isolador entre um dissipador de calor e uma peça tem uma penalidade em termos de resistência térmica. Se for possível não usar uma camada isolante, você obterá o melhor desempenho térmico nesse caso.

O melhor compromisso é criar uma camada superficial extremamente fina e grande com uma tensão nominal alta [kV / mm] com dureza suficiente para não ser cortada ou perfurada, mas também deve ser de baixo custo.

As características do isolador termicamente condutor incluem:

Cost-effective
Resistant to tears and cut-through
High dielectric strength
UL94 VO rated options available
Low ageing rate: Pads do not dry out, ooze out or crack  
Gap Filling, if burrs, roughness or planarity is a problem
Compatibility (gas sensors must be non-silicone and LED interfaces must be non-organic)
Low dielectric constant for capacitance load on collector/drain tabs on high dV/dt high voltage drivers

Todos os isoladores elétricos são "dielétricos". Todos os dissipadores de calor são bons condutores térmicos.
No entanto, em sólidos, pode ser caro ter ambas as boas características.
Materiais de mudança de fase que transformam o fluido sob pressão para tornar uma solução possível.

As CPUs tendem a usar vidro cerâmico como parte superior térmica do dissipador de calor devido às propriedades extremamente planas.

Para os Triacs de tensão de linha, o Mica era o melhor material para proteção de pulso de 5kV e condução térmica com graxa térmica.

Fluidos dielétricos como óleo de transformador também são bons isolantes térmicos com o fluxo de calor.

Figuras de mérito na comparação de materiais Uso de isolantes termicamente condutores;

Condutividade térmica [W / mK] ,
espessura [um] , dureza da costa [00] ,
resistência dielétrica [kV / mm] e
impedância térmica [˚C-cm² / W]

$\frac{V}{mm} \cdot \frac{°C\cdot mm}{W}$ ou dividir por condução térmica em $\frac{kV}{mm} /\frac{W}{m-K}$.

Soluções tradicionais; foram Mica, fita 3M e algumas fitas de polímeros.

A melhor solução econômica de Aavid Thermalloy é:

Thermalsil III

  uses finely woven glass cloth with a silicone elastomer binder 0.152mm thick
  Dielectric Strength :  26 kV/mm     
  Thermal Conductivity: 0.92 W/m'C   
  UL 94V-0

Para remoção de calor com ar forçado, não é o CFM que conta, mas é frequentemente relatado, mas a velocidade turbulenta do ar na superfície que controla o resfriamento em média [m / s].

O produto desses dois parâmetros leva às melhores propriedades do material, mas não às mais baratas.

Na verdade, existe uma boa solução: alumínio. Alumínio anodizado. A anodização transforma a superfície em óxido de alumínio, que é um isolador. Boas notícias: A área da superfície é aumentada para ajudar a conduzir o calor ao ar ambiente; As más notícias não são uma superfície plana e lisa para entrar em contato com o dispositivo de energia que faz o calor. Solução: Composto térmico (também conhecido como "graxa"). Notas importantes: existem vários processos para anodizar o alumínio. A maioria das coisas bonitas é "Classe I", que é suave ou "Classe II", que é moderadamente difícil. Você pode usar a Classe II Se não houver movimento relativo do dispositivo a ser resfriado e ele estiver firmemente preso ao dissipador de calor e não houver rebarbas ou arranhões, isso funcionará bem. Muitos " se " s e ""é para você? Então a anodização" Classe III "é o que você deseja. Tende a ter cores desiguais e o preto tem uma tonalidade marrom ou arroxeada. É quase tão duro quanto os diamantes e praticamente à prova de arranhões. Ainda precisa de graxa, mas nenhum isolador em tensões razoáveis. Os militares e aeroespacial usam isso há mais de 50 anos, como arruelas anodizadas finas (~ 0,025 ") (semelhantes aos isoladores de mica perfurada TO-3) ou em todo o compartimento (pense em mísseis). Difícil de encontrar hoje em dia e custa mais do que outras soluções, mas faz o trabalho bem.

Para a "graxa", use silicone (não à base de petróleo), óxido de alumínio (não óxido de zinco) da Dow, Shin-Etsu, Fuji-Poly ou Saint-Gobain. O material boutique de prata e cobre para o uso de PCs com overclock é caro e condutivo. Isso é aceitável com a anodização de Classe III, desde que não migre, caia, seque, pó ou flocos, etc. para o material de transporte atual (apenas não o use). Se você realmente precisa acoplar muito calor com graxa, o óxido de berílio é várias vezes melhor que o óxido de alumínio. Apenas trate-o como amianto: não o lamba, não o coma, não respire. É irritante para a pele, use luvas e prepare-se para o ataque de uma "caça às bruxas tóxica". Essas graxas precisam apenas ter uma espessura de 0,0001 "a 0,0005" sob o dispositivo (tipo de translúcido). Aplique com um pequeno rodo de plástico ou metal; para volumes de produção, use um estêncil (o mesmo tipo de material utilizado para a pasta de solda ~ 0,005 "SS) e um rodo.

Vi dissipadores de calor com uma fina camada de cerâmica na área de montagem, mas a diferença de Cte ​​é um problema e pode quebrar a fina cerâmica.

Espero que isso ajude, consegui isso em mais de 40 anos de perambulação entre elétrons e buracos de elétrons.

No geral, desconfio que evitar o "desgaste" no campo e a consequente substituição cara seja uma das principais razões para aplicações gerais, evitando dissipadores de calor cristalinos. Não estou dizendo que os dissipadores de calor de metal nunca falham no campo. Mas, de um modo geral, a substituição de dissipadores de calor de metal no campo seria muito mais barata e exigiria muito menos equipamento especializado em comparação com os dissipadores de calor cristalinos.

Ou seja, no início, os dissipadores de calor cristalinos geralmente seriam caros para moldar e usaria alguma quebra correta devido a estresse térmico e mecânico. Você ainda pode permanecer dentro dos custos totais aceitáveis ​​se tudo o que aconteceu na fábrica de dissipadores de calor especiais. Mas não é incomum que os fabricantes de aplicativos finais precisem aparar o dissipador de calor para caber etc.

Segundo uma vez em uma aplicação em campo, muitos dissipadores de calor sofrem choques e vibrações térmicas e mecânicas que podem estar fora da taxa de sobrevivência de 100% dos dissipadores de calor cristalinos. Por outro lado, bons velhos dissipadores de calor de metal podem levar um pouco de abuso e flexão. Alguns até servem secundariamente como um ponto de fixação mecânico para o chassi externo de um conjunto maior.

Também no caso de dissipadores de calor cristalinos, os fixadores podem se tornar pontos de falha em vez do dissipador de calor. Um fixador mais macio reduziria os danos causados ​​por vibração no dissipador de calor, mas seria gradualmente serrado pelas mesmas vibrações e flexões.

Portanto, os dissipadores de calor cristalinos provavelmente se tornariam um item de reparo ocasional no campo ... assumindo um desligamento térmico inteligente e alertas. Agora pense em quais ferramentas especiais são necessárias em campo e que tipo de taxa de interrupção pode ser aplicada quando um técnico médio tenta lidar com a substituição. Aposto que os dissipadores de calor seriam algo que muitos corpos, governos e clientes particulares esperariam que os técnicos locais manejassem, mesmo que não os circuitos. Apenas um trabalho de chave, certo?