El aluminio ofrece aproximadamente el 60 por ciento de la conductividad eléctrica del cobre con aproximadamente el 30 por ciento de la densidad, y las aleaciones forjadas alcanzan valores de conductividad térmica que lo convierten en el material de difusión de calor predeterminado en la electrónica. La selección de aleación y temperamento, la resistencia de la interfaz, la planitud del montaje y la protección de la superficie deciden si un diseño cumple con su objetivo de temperatura de unión.
Por qué el aluminio domina la difusión del calor
La conductividad térmica es el primer filtro de selección, pero no es uniforme en todas las aleaciones. Los elementos de aleación y el temple reducen la conductividad en relación con el metal de alta-pureza, por lo que una especificación que simplemente diga que el aluminio no es adecuada para un diseño térmico.
| Material | Conductividad térmica típica | Uso típico |
|---|---|---|
| 1050A, 1350 grados de conductor | Aproximadamente 230 W/mK | Barras colectoras, blindaje de lámina, placas de alta-conductividad |
| 6063 perfil extruido | Aproximadamente 200 W/mK | Cuerpos, recintos y canales de disipadores de calor. |
| Placa y extrusión 6061-T6 | Aproximadamente 167 W/mK | Piezas estructurales del chasis que también conducen el calor. |
| 3003 hoja | Aproximadamente 190 W/mK | Placas frías y conjuntos soldados |
| Cobre, a modo de comparación. | Aproximadamente 400 W/mK | Se utiliza sólo cuando no se puede lograr la dispersión de otra manera |
La densidad de aproximadamente 2,70 g/cm3 es la segunda razón por la que gana el aluminio: la misma masa de disipador de calor proporciona un área de dispersión mayor que el cobre, y la extrusión permite geometrías de aletas complejas con un bajo costo de herramientas. La difusividad térmica de los materiales candidatos se mide mediante ASTM E1461 utilizando el método de destello láser cuando un diseño depende del comportamiento transitorio en lugar del estado estacionario.
Selección de aleación y temperamento para disipadores de calor
Los perfiles extruidos de disipador de calor normalmente se especifican según ASTM B221. La aleación 6063 en el temple T5 proporciona una resistencia a la tracción mínima de 150 MPa y un límite elástico mínimo de 110 MPa, con la calidad superficial necesaria para piezas anodizadas visibles. La condición 6063-T6 de mayor-resistencia alcanza valores mínimos de 205 MPa de tracción y 170 MPa de elasticidad, y se utiliza cuando el perfil soporta carga estructural. La aleación 6061-T6 alcanza valores mínimos de 260 MPa de tracción y 240 MPa de rendimiento y se elige para placas frías mecanizadas y soportes que deben resistir golpes y vibraciones. Los temperamentos se definen sistemáticamente según ANSI H35.1, que mantiene el lenguaje de pedidos sin ambigüedades entre la fábrica y el fabricante.
Interfaz térmica y práctica de montaje.
La resistencia de la interfaz frecuentemente excede la resistencia del propio disipador de calor. Los materiales de interfaz térmica se caracterizan por su impedancia térmica y conductividad según ASTM D5470, y el valor medido depende en gran medida de la presión y el espesor de la línea de unión, por lo que la figura de la hoja de datos debe usarse solo con la presión de prueba indicada. Las reglas prácticas son mantener la planitud de la base dentro de 0,05 mm sobre 50 mm, mantener la rugosidad de la superficie entre aproximadamente 0,8 y 1,6 micrones Ra en ambas caras de contacto y utilizar un par de montaje controlado con un clip de resorte o un patrón de tornillos que evite deformar la base. Cuando se requiere aislamiento eléctrico, el espesor de la almohadilla de aislamiento y su impedancia térmica limitan el rendimiento-y deben especificarse como un par.
Pruebas de acabado superficial, corrosión y confiabilidad
El anodizado es el acabado habitual: ISO 7599 define designaciones de recubrimiento de AA10 a AA25, donde el número indica el espesor nominal del recubrimiento en micras. El anodizado transparente de 10 a 15 micrones es adecuado para la electrónica de interiores, mientras que los gabinetes para exteriores generalmente requieren 20 micrones o más, verificados mediante pruebas de niebla salina neutra según ISO 9227 durante 240 a 480 horas. El niquelado electrolítico se utiliza cuando se necesita soldabilidad o contacto eléctrico. La calificación de los ciclos de temperatura suele seguir la norma IEC 60068-2-14, y la corrosión a largo plazo y la adhesión del acabado se documentan mediante la misma ruta de niebla salina ISO 9227. El papel de aluminio también se utiliza en laminados de blindaje electromagnético y envolturas de cables, donde los calibres delgados y la alta conductividad son los impulsores del diseño.
Preguntas frecuentes
Q:¿Qué aleación de aluminio es estándar para los disipadores de calor extruidos?
R: La aleación 6063 en el temple T5 es la opción estándar, especificada según ASTM B221 con una resistencia a la tracción mínima de 150 MPa y un límite elástico mínimo de 110 MPa.
Q:¿Es mejor el aluminio o el cobre para un disipador de calor?
R: El cobre conduce aproximadamente el doble, pero el aluminio tiene aproximadamente un tercio de densidad y su extrusión cuesta menos. El aluminio gana en la mayoría de los diseños-de aire forzado una vez que se consideran el área de dispersión y la masa.
Q:¿Cómo se especifica el rendimiento de la interfaz térmica?
R: Por impedancia térmica medida según ASTM D5470 a una presión y espesor de línea de unión establecidos. Una cifra de conductividad sin las condiciones de prueba no es una especificación utilizable.
Q:¿Qué espesor de anodizado se utiliza en gabinetes electrónicos?
R: El anodizado transparente de 10 a 15 micrones según ISO 7599 se adapta a piezas interiores, mientras que los gabinetes para exteriores generalmente requieren 20 micrones o más con verificación de niebla salina según ISO 9227.
Q:¿La anodización reduce el rendimiento del disipador de calor?
R: La capa anódica tiene baja conductividad pero tiene solo micras de espesor, por lo que la resistencia agregada es pequeña en comparación con la interfaz. Aún así se deben evitar los revestimientos decorativos gruesos en superficies de contacto críticas.
Q:¿Cuánta planitud necesita la base de un disipador de calor?
R: Alrededor de 0,05 mm sobre 50 mm es un objetivo práctico. Una peor planitud fuerza una línea de unión más gruesa y borra el beneficio de un material de interfaz de alto-rendimiento.