Een koelplaat is een van de meest fundamentele componenten voor het koelen van elektronische apparaten. Wanneer een warmtebron de warmte niet effectief kan afvoeren door middel van geleiding en efficiëntere koeling vereist, wordt een koelplaat gebruikt om de warmte van de bron af te voeren en te verspreiden door middel van geoptimaliseerde geleiding en convectie.

Koelplaten worden veel gebruikt in vermogenselektronica, telecommunicatieapparatuur, servers, ledverlichting, auto-elektronica en industriële apparaten.

basisstructuur van een koelblok

Een typische koelplaat bestaat hoofdzakelijk uit twee onderdelen:

• baseren

• tot

De basis is meestal een vlak oppervlak dat direct contact maakt met de warmtebron. De functie ervan is om warmte van de warmtebron over te brengen en gelijkmatig over de koelvinnen te verdelen.

De vinnen zijn ontworpen om het totale oppervlak van de koelplaat te vergroten. Ze kunnen in een breed scala aan vormen worden geproduceerd en zijn doorgaans verticaal ten opzichte van de basis geplaatst om de warmteafvoer te maximaliseren.

Het voornaamste ontwerpdoel van een koelplaat is het maximaliseren van het oppervlak, zodat er meer warmte naar de omringende lucht kan worden afgevoerd.

materialen voor koelplaten

Op enkele uitzonderingen na worden koelplaten gemaakt van thermisch geleidende metalen, meestal aluminium of koper.

aluminium

Aluminium is het meest gebruikte materiaal voor koelplaten.

• thermische geleidbaarheid: 235 W/mK

• lichtgewicht

• kosteneffectief

• gemakkelijk te produceren

Deze eigenschappen maken aluminium ideaal voor lichtgewicht en economische koeloplossingen.

koper

Koper is ook een populair materiaal voor koelplaten.

• Thermische geleidbaarheid: ~400 W/mK

• hogere warmteoverdrachtscapaciteit

Hoewel koper zwaarder en duurder is, is het vaak vereist in hoogwaardige thermische toepassingen.

natuurlijke convectie versus geforceerde convectie

Koelplaten worden doorgaans in twee categorieën ingedeeld op basis van de luchtstroomomstandigheden.

natuurlijke convectie (passieve koeling)

Passieve warmteafvoersystemen vertrouwen volledig op natuurlijke luchtstroming om warmte af te voeren.

Ze zijn ontworpen om:

• maximaliseer het oppervlak

• laat de lucht op natuurlijke wijze circuleren

• werken zonder extra actieve componenten

Passieve koelplaten worden vaak gebruikt in energiezuinige elektronische apparaten.

geforceerde convectie (actieve koeling)

Actieve koelsystemen gebruiken ventilatoren of blazers om lucht door de koelvinnen te blazen.

Deze geforceerde luchtstroom creëert turbulentie, waardoor de warmteoverdrachtsefficiëntie en de koelprestaties aanzienlijk verbeteren.

Actieve koeloplossingen worden veelvuldig gebruikt in:

• servers

• vermogenselektronica

• krachtige computersystemen

veelvoorkomende soorten koelplaten

Er worden verschillende productietechnologieën gebruikt om koelplaten te vervaardigen, elk geschikt voor verschillende thermische eisen en toepassingen.

1. gestempelde koelplaten (op printplaatniveau)

Gestanste koelplaten worden geproduceerd uit plaatmetaal met behulp van progressieve stansprocessen. Elke stansstap voegt kenmerken en details toe naarmate het metaal door de matrijs gaat.

Deze koelplaten zijn doorgaans ontworpen voor specifieke typen elektronische componenten om een optimale pasvorm op printplaten te garanderen.

Ze kunnen in passieve modus werken of een ventilator bevatten om de luchtstroom over het hele oppervlak te vergroten.

voordelen

• ideaal voor toepassingen met een laag vermogen (0–5 W)

• snelle en eenvoudige montage

• lage productiekosten

• schaalbaar voor grootschalige productie

• beschikbaar voor vele pakkettypen

nadelen

• Niet geschikt voor toepassingen boven 5W.

• beperkte afmetingen (doorgaans kleiner dan 50 mm)

• Ontworpen om slechts één apparaat te koelen.

2. geëxtrudeerde aluminium koelribben

Extrusie is een van de meest populaire en kosteneffectieve methoden voor de productie van koelplaten.

Geëxtrudeerde koelplaten variëren in grootte, afhankelijk van de toepassing. Kleinere versies worden gebruikt voor koeling op printplaatniveau, terwijl grotere zijn ontworpen voor thermisch beheer van systemen met een gemiddeld vermogen.

Ze kunnen worden geoptimaliseerd voor zowel passieve als actieve koeling, afhankelijk van de geometrie en de afstand tussen de vinnen.

Geëxtrudeerde koelribben op printplaatniveau worden vaak gebruikt voor componenten zoals:

• bga

• FPGA

Het extrusieproces begint met een profielmatrijs die de vinstructuur, de afstand tussen de vinnen en de basisafmetingen bepaalt. Vervolgens wordt verhit aluminium door de matrijs geperst om een lang profiel te creëren, dat later op de gewenste lengte wordt gesneden en verder wordt bewerkt.

voordelen

• ideaal voor toepassingen met gemiddeld vermogen

• kosteneffectieve productie

• Zeer schaalbaar voor massaproductie

• eenvoudige aanpassing

• constructie uit één stuk met lage thermische weerstand

nadelen

• niet geschikt voor toepassingen met zeer hoog vermogen

• afmetingsbeperkingen (ongeveer 58 cm breed en 119 cm lang)

• Grote profielen kunnen beperkingen hebben wat betreft de afwerking.

3. Koelribben met afgeschuinde randen

Skiven is een bewerkingsproces waarbij vinnen rechtstreeks uit een massief metalen blok worden gevormd. Dunne lagen worden van de basis afgesneden en naar boven gevouwen om vinnen te creëren.

Doordat de vinnen en de basis uit hetzelfde stuk materiaal zijn vervaardigd, zijn er geen naden of raakvlakken, wat de thermische weerstand verlaagt.

Dit proces maakt ook zeer dunne vinnen en een hoge vinndichtheid mogelijk, waardoor het totale oppervlak aanzienlijk wordt vergroot.

In tegenstelling tot extrusie vereist schaven geen speciaal gereedschap, wat de gereedschapskosten verlaagt en snellere prototyping mogelijk maakt.

voordelen

• hoge koelefficiëntie

• dunne vinnen en hoge vindichtheid

• lagere gereedschapskosten

• economisch voordelig voor koperen koelplaten

nadelen

• Niet ideaal voor toepassingen met extreem hoog vermogen.

• afmetingsbeperkingen

• Dunne vinnen zijn mogelijk kwetsbaarder.

• minder geschikt voor zeer grote productievolumes

4. Koelribben met gelijmde en gesoldeerde verbindingen

Koelribben met gelijmde lamellen bestaan uit twee hoofdcomponenten:

• een basis (geëxtrudeerd of machinaal bewerkt)

• individuele vinnen bevestigd met behulp van thermisch geleidende lijm, epoxy of solderen

De vinnen worden doorgaans uit dun plaatmetaal gestanst, terwijl de basis geëxtrudeerd, gegoten of machinaal bewerkt kan worden.

Aanvullende thermische technologieën, zoals warmtebuizen of dampkamers, kunnen ook in de basis worden geïntegreerd om de prestaties te verbeteren.

Koelribben met een gelijmde constructie bieden meer ontwerpfexibiliteit en maken een hogere vinndichtheid mogelijk binnen een kleiner oppervlak.

voordelen

• Compact ontwerp voor toepassingen met beperkte ruimte.

• hoge thermische prestaties

• geschikt voor geforceerde convectie

• krappe vinafstand

• hoge vin-aspectverhoudingen

• flexibele ontwerpintegratie

• lagere gereedschapskosten

nadelen

• Niet ideaal voor omgevingen met hoge trillingen.

• Niet geschikt wanneer de vereiste thermische weerstand lager is dan 0,01 °C/W.

5. Koelribben met ritssluiting

Ritssluitingsvinnen worden gemaakt van een reeks afzonderlijk gestempelde metalen platen die worden gevouwen en in elkaar grijpen.

Deze vinnen kunnen op twee manieren worden gerangschikt:

• gesloten kanalen voor gerichte luchtstroom

• open configuraties voor multidirectionele luchtstroom

De koelribben worden meestal aan de basis van het koelblok of aan de warmtebuizen bevestigd door middel van solderen, hardsolderen of epoxyverbinding.

Dit ontwerp biedt uitstekende mechanische stabiliteit en hoge flexibiliteit voor geïntegreerde thermische oplossingen.

voordelen

• hoge thermische prestaties

• ideaal voor toepassingen met geforceerde luchtstroom

• flexibele ontwerpintegratie

• lagere gereedschapskosten

• lichtgewicht

• kan de efficiëntie van warmtebuizen verbeteren

• verbeterde mechanische stabiliteit

nadelen

• enkele beperkingen voor extreem lage eisen aan de thermische weerstand

6. Koelribben met gevouwen vin

Gevouwen vinnen worden gemaakt door dunne metalen platen in complexe vormen te buigen om het oppervlak te vergroten.

Deze vinnen worden doorgaans aan een basis gelijmd of gesoldeerd om de uiteindelijke koelplaatconstructie te vormen. De technologie met gevouwen vinnen kan ook worden gebruikt in vloeistofkoelplaatoplossingen.

voordelen

• vergroot oppervlak

• hoge vinrendement

• compatibel met meerdere materialen

• lichtgewicht constructie

nadelen

• Werkt het best wanneer de luchtstroom direct door de vinnen wordt geleid.

• in sommige gevallen hogere productiekosten

7. gegoten koelplaten

Koelplaten van spuitgietmetaal worden als één geheel geproduceerd door gesmolten metaal in op maat gemaakte mallen te injecteren.

Deze productiemethode is ideaal voor massaproductie en maakt complexe geometrieën mogelijk die met andere processen moeilijk te realiseren zouden zijn.

Na het gieten zijn slechts minimale bewerkings- en afwerkingswerkzaamheden nodig om het eindproduct te verkrijgen.

voordelen

• Ideaal voor grootschalige productie.

• geschikt voor complexe vormen

• lage of bijna nul thermische weerstand

nadelen

• hoge initiële kosten voor gereedschap en mallen