Tecnologia Cold Spray nella produzione di dissipatori di calore
I dispositivi elettronici generano calore durante il funzionamento, portando a una diminuzione delle prestazioni e dell'affidabilità. I componenti IC con un consumo di energia termica più elevato si affidano in genere a dissipatori di calore per condurre il calore ed evitare che le temperature di giunzione superino il limite massimo consentito. L'installazione di un dissipatore di calore su un chip semiconduttore a base di silicio e la dissipazione del calore del chip attraverso aria o liquido è un metodo di raffreddamento comune per i dispositivi elettronici. Questi radiatori vengono solitamente lavorati separatamente utilizzando materiali in rame o alluminio o una combinazione di materiali in rame e alluminio.
Il rame ha una conduttività termica maggiore dell'alluminio e la sua capacità di dissipazione del calore per unità di volume è superiore all'alluminio. Escludendo l'influenza del peso e del costo, il rame è il materiale preferito per i dissipatori di calore. I materiali in alluminio hanno una bassa conduttività termica, quindi i radiatori in alluminio non possono dissipare il calore abbastanza rapidamente, richiedendo una superficie più ampia e alette più alte. In molte applicazioni compatte, soprattutto nei sistemi che perseguono un'elevata densità di potenza, i radiatori in alluminio non sono la scelta migliore.
Il dissipatore di calore comprende una base che entra in contatto con il chip della fonte di calore, nonché alette collegate sopra la base tramite metodi di produzione quali stampaggio, saldatura, estrusione, taglio dei denti e scheggiatura. La base entra in contatto con il chip, assorbe il calore dal chip e lo conduce alle alette. Le alette cercano di aumentare il più possibile la superficie, accelerare l'efficienza dello scambio termico dell'aria e, in definitiva, rimuovere il calore dal chip. I dispositivi elettronici ad alta potenza spesso generano rapidamente calore sui chip. Se il dissipatore di calore è una base in alluminio, la velocità di trasferimento del calore della base potrebbe non essere sufficiente per diffondere rapidamente il calore sulla superficie delle alette, con conseguente aumento della resistenza al calore e prestazioni di raffreddamento insufficienti del dissipatore di calore.
L'intera o parziale area della base del radiatore in alluminio può essere sostituita con materiale in rame con migliore conduttività termica per risolvere il problema dell'insufficiente velocità di diffusione del calore. Questa base composita del dissipatore di calore utilizza il rame per condurre rapidamente il calore dei chip, mentre le alette sono ancora realizzate in alluminio, il che può ottenere sia una rapida diffusione termica che un rapporto costo-efficacia.
La tecnologia Cold Spray è un rivestimento superficiale e un processo di produzione additiva altamente innovativo che può essere utilizzato per collegare rame e alluminio e superare i problemi legati all'incollaggio, alla saldatura e alla brasatura. Il processo di spruzzatura a freddo può depositare particelle di polvere allo stato solido sulla superficie del substrato a temperature molto inferiori al punto di fusione del materiale, evitando così i problemi comuni causati dall'alta temperatura, come ossidazione ad alta temperatura, stress termico e micro trasformazione di fase. La spruzzatura a freddo è una tecnologia di lavorazione basata sulla polvere in cui le particelle di polvere di dimensioni micron vengono accelerate dal gas compresso supersonico nell'ugello, provocando la collisione delle particelle di polvere ad alta velocità con il substrato, provocando la deformazione della plastica e il legame con il substrato. Il processo CS ha tempi di produzione più brevi e consente una selezione flessibile di costruzioni con deposizione localizzata o su larga scala.
Come è noto, le prestazioni dei dissipatori di calore vengono solitamente quantificate in base ai valori di resistenza termica. La resistenza termica è una misura della temperatura nella parte superiore del radiatore superiore alla temperatura ambiente per ciascuna unità di potenza dissipata dal radiatore. Minore è il valore di resistenza termica, minore è la temperatura nella parte superiore delle alette nello stesso ambiente di raffreddamento e migliori sono le prestazioni di raffreddamento del radiatore. Il costo di produzione dei radiatori compositi per la produzione di spray freddo è leggermente superiore a quello dei radiatori in alluminio, ma il peso e il costo sono inferiori rispetto ai radiatori in rame. L'aggiunta di uno strato di rame a un radiatore in alluminio ha un impatto diretto sui costi di produzione, ma il vantaggio è che ridurrà la resistenza termica del radiatore del 48%.
