เคล็ดลับในการระบายความร้อนให้ดีที่สุดแก่อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ

[apinane34s]

เคล็ดลับในการระบายความร้อนให้ดีที่สุดแก่อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ

เผย 4 เคล็ดลับของการเลือกใช้และการปฏิบัติในการระบายความร้อนให้แก่อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ ชนิดกำลังสูงๆ

อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำที่ใช้กำลังสูงๆจำเป็นต้องได้รับการระบายความร้อนที่เกิดขึ้นในตัวมันออกไปให้เร็วที่สุด โดยอาศัยหลักการถ่ายเทความร้อนที่ดีมิ เช่นนั้นแล้วความร้อนที่เกิดขึ้นหากสูงกว่าอุณหภูมิที่จะทนได้ อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำอาจเสียหายได้ในทันทีหรือความร้อนที่สะสมขึ้นเรื่อย ๆ เป็นเวลานานหลาย ๆ ครั้งจะทำให้อุปกรณ์นั้น ๆ มีอายุการใช้งานสั้นลง

ต่อไปนี้จะเปิดเผยถึงเคล็ดลับ 4 ประการ ที่ช่วยให้อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำได้รับการระบายความร้อนอย่างดีที่สุด

[apinane34s]

ตาราง

[apinane34s]

รูปที่ 1 กราฟเปรียบเทียบแสดงความแตกต่างของสัมประสิทธิ์การนำความร้อนของแผ่นฉนวนรองแบบต่างๆเมื่อแรงกดและความหนาเท่ากัน

กราฟในรูปที่ 1 แสดงให้เห็นการเปรียบเทียบค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนของสารต่าง ๆ ที่นำมาทำแผ่นฉนวนรองทั้ง 8 ชนิด โดยให้มีแรงกดระหว่างแผ่นฉนวนรองกับ แผ่นระบายความร้อนเท่ากัน และความหนาของแผ่นฉนวนรองก็มีค่าเท่ากัน

ตารางที่ 1 แสดงตัวเลขและคุณสมบัติค่าของสารต่างๆให้เห็นโดยละเอียดซึ่งพอจะสรุปแนวทาง ในการเลือกใช้แผ่นฉนวนรองที่เหมาะสมดังนี้

    * ราคาถูก นำความร้อนแย่ เป็นฉนวนไฟฟ้าสูง เลือกใช้ไมลาร์
    * อุณหภูมิต่ำมาก ราคาถูก เลือกใช้โพลีเอมมีด
    * แข็งแรงมาก แต่เป็นฉนวนต่ำเลือกใช้อะลูมิเนียมอะโนไดซ์
    * ราคาแพง หักง่าย นำความร้อนดีที่สุด ทนอุณหภูมิสูงสุด แต่เป็นพิษเลือกใช้เบอริเลี่ยมออกไซด์
    * ความถี่ต่ำ ไม่เกิน 1 MHz เลือกใช้ไมลาร์, ไมก้า, โพลีเอมมีด, แผ่นยางซิลิโคน, ไฟเบอร์กลาสเคลือบซิลิโคน
    * ความถี่สูงมากเช่น ใช้กับ V-FET, VHF, UHF เลือกใช้อะลูมิเนียมออกไซด์ เบอริเลี่ยมออกไซด์
    * ไม่ต้องทาครีมซิลิโคน เลือกใช้แผ่นยางซิลิโคน, ไฟเบอร์กลาสเคลือบซิลิโคน ควรเลือกฉนวนที่มีค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนสูงที่สุด ในราคาที่เหมาะสม และสถานที่เหมาะสำหรับงานนั้น ๆ

[apinane34s]

เคล็ดลับที่ 2 : การเลือกแผ่นระบายความร้อนให้ถูกกับงาน

แผ่นระบายความร้อนหรือฮีตซิงค์ (heat sink) สามารถแบ่งเป็นชนิดต่างๆได้ 4 ชนิด แต่ละชนิดมีรูปร่างและเหมาะสำหรับงานแต่ละประเภทดังนี้

1.แผ่นระบายความร้อนแบบกลมเป็นแผ่นแบน (round heat sink) มีรูปร่างดังรูปที่ 2 ส่วนใหญ่ใช้กับทรานซิสเตอร์ที่มีตัวถังแบบ TO-5, TO-92 ใช้กับกำลังงานความร้อนขนาด 1-10 วัตต์

[apinane34s]

2.แผ่นระบายความร้อนแบบกลมมีครีบหลายๆชั้น (multifin omnidirectional heat sink) มีรูปร่างดังรูปที่ 3 งานส่วนใหญ่ใช้กับทรานซิสเตอร์ซึ่งมีตัวถังแบบ TO-5, TO-92 หรือไอซีรวมทั้งไอซีแบบเกตอะเรย์ (gate array IC) ที่ต้องการถ่ายเทความร้อนอย่างรวดเร็ว ใช้กับกำลังงานความร้อนขนาด 3-10 วัตต์

[apinane34s]

3.แผ่นระบายความร้อนแบบฉีดเป็นเส้น (extrude heat sink) เป็นแบบที่เห็นกันมากที่สุดในเมืองไทย รูปร่างดังรูปที่ 4 ส่วนใหญ่ใช้กับเครื่องขยายเสียงหรือเครื่องจ่ายไฟ โดยใช้เป็นตัวระบายความร้อน ให้ทรานซิสเตอร์กำลังหรือมอสเฟ็ตกำลัง (power MOSFET) เหมาะสำหรับงานที่ตัองการระบายความร้อน สูงมาก

[apinane34s]

4.แผ่นระบายความร้อนแบบหนาม (pin-fin heat sink) ส่วนใหญ่ได้มาจากการหล่อแบบมีลักษณะ รูปร่างดัง รูปที่ 5 มีประสิทธิภาพสูงมากส่วนใหญ่ใช้ในงานอิเล็กทรอนิกส์ กำลัง เช่น SCR, ไตรแอค, ไดโอดเรียงกระแสขนาดกำลัง (power rectifier diode) ขนาดหลายสิบถึงหลายร้อยแอมป์ มีขนาดใหญ่และราคาแพงที่สุด

[apinane34s]

เคล็ดลับที่ 3 : การใช้ครีมซิลิโคน

การทำให้ความร้อนถ่ายเทจากวัตถุหนึ่งไปวัตถุอีกชิ้นหนึ่ง เช่น จากอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำไปยังตัวกระจายความร้อน หรือแผ่นระบายความร้อนจะดีที่สุดเมื่อผิวสัมผัสต้องแนบสนิท แต่ผิวสัมผัสของแผ่นระบายความร้อนมักไม่ค่อยเรียบ เมื่อใช้ฉนวนที่มีความแข็ง เช่น แผ่นฉนวนรองไมก้าหรือไมลาร์นั้น จำเป็นต้องหาวัตถุที่เป็นของเหลว และเป็นตัวนำความร้อนที่ดี มาทาเพื่อปิดช่องว่างนั้นไม่ให้อากาศมาแทนที่ ซึ่งฟองอากาศจะเป็นตัวนำความร้อนที่เลว

การใช้ครีมซิลิโคนทาที่ผิวสัมผัสจะช่วยให้ผิวสัมผัสแนบสนิท และนำความร้อนดีขึ้น โดยเฉพาะแผ่นฉนวนรองที่มีความแข็งสูง ไม่อ่อนตัวไปตามผิวสัมผัสของ แผ่นระบายความร้อน

[apinane34s]

รูปที่ 6 แสดงการยึดทรานซิสเตอร์เข้ากับแผ่นระบายความร้อน โดยการใช้ครีมซิลิโคนทาที่ผิวสัมผัส ของแผ่นระบายความร้อน กับแผ่นฉนวนรองประเภทไมก้าหรือไมลาร์ และการใช้แผ่นยางซิลิโคน โดยไม่ต้องใช้ครีมซิลิโคนช่วย

ครีมซิลิโคนที่ดีจะมีค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนตั้งแต่ 2.0 * 10-3 cal/cm.sec.ฐC จึงต้องเลือกใช้ให้ดีด้วย

เคล็ดลับในที่นี้ก็คือ การเลือกสารที่นำความร้อนดีที่สุดแต่ใช้น้อยที่สุดจะทำให้การถ่ายเทความร้อนดีที่สุด

[apinane34s]

เคล็ดลับที่ 4 : ผลของแรงกดกับการระบายความร้อน

[apinane34s]

การขันน็อตยึดอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำเข้ากับแผ่นระบายความร้อนให้แน่น จะช่วยให้การถ่ายเทความร้อนดีขึ้น ดังแสดงผลของแรงขันน็อตกับค่าความต้านทานทางอุณหภูมิไว้ใน รูปที่7 โดยแกนแนวตั้งเป็นค่าความต้านทานทางอุณหภูมิ (thermal resistance) ยิ่งมีค่าน้อยยิ่งดี ซึ่งแรงขันนอตทางแกนแนวนอนต้องมีค่ามาก ๆ

ปกติไม่ควรใช้แรงขันเกิน 3-5 กิโลกรัม-เซนติเมตร

[sab]