تقنية الرش البارد في تصنيع المبدد الحراري

تولد الأجهزة الإلكترونية حرارة أثناء التشغيل، مما يؤدي إلى انخفاض الأداء والموثوقية. تعتمد مكونات IC ذات الاستهلاك العالي للطاقة الحرارية عادةً على المشتتات الحرارية لتوصيل الحرارة وتجنب تجاوز درجات حرارة الوصلات الحد الأقصى المسموح به. يعد تركيب المشتت الحراري على شريحة أشباه الموصلات القائمة على السيليكون وتبديد حرارة الشريحة في النهاية عبر الهواء أو السائل طريقة تبريد شائعة للأجهزة الإلكترونية. عادة ما تتم معالجة هذه المشعات بشكل منفصل باستخدام مواد النحاس أو الألومنيوم، أو مزيج من مواد النحاس والألومنيوم.

يتمتع النحاس بموصلية حرارية أعلى من الألومنيوم، وقدرته على تبديد الحرارة لكل وحدة حجم متفوقة على الألومنيوم. وباستثناء تأثير الوزن والتكلفة، فإن النحاس هو المادة المفضلة لأحواض الحرارة. تتميز مواد الألومنيوم بموصلية حرارية منخفضة، لذلك لا تستطيع مشعات الألومنيوم تبديد الحرارة بسرعة كافية، مما يتطلب مساحة سطح أكبر وزعانف أعلى. في العديد من التطبيقات المدمجة، خاصة في الأنظمة التي تسعى إلى كثافة طاقة عالية، لا تعد مشعات الألومنيوم الخيار الأفضل.

يشتمل المشتت الحراري على قاعدة تتلامس مع شريحة مصدر الحرارة، بالإضافة إلى زعانف متصلة فوق القاعدة من خلال طرق التصنيع مثل الختم واللحام والبثق وقطع الأسنان والتقطيع. تتصل القاعدة بالرقاقة، وتمتص الحرارة من الشريحة وتوصلها إلى الزعانف. تحاول الزعانف زيادة مساحة السطح قدر الإمكان، وتسريع كفاءة تبادل حرارة الهواء، وفي النهاية إزالة الحرارة من الشريحة. غالبًا ما تولد الأجهزة الإلكترونية عالية الطاقة الحرارة بسرعة على الرقائق. إذا كان المشتت الحراري عبارة عن قاعدة من الألومنيوم، فقد لا تكون سرعة نقل الحرارة للقاعدة كافية لتوزيع الحرارة بسرعة على سطح الزعانف، مما يؤدي إلى زيادة مقاومة الحرارة وعدم كفاية أداء التبريد للمشتت الحراري.
يمكن استبدال المساحة الكاملة أو الجزئية لقاعدة المبرد المصنوعة من الألومنيوم بمادة نحاسية ذات موصلية حرارية أفضل لحل مشكلة سرعة انتشار الحرارة غير الكافية. تستخدم قاعدة المشتت الحراري المركبة هذه النحاس لتوصيل حرارة الرقاقة بسرعة، في حين أن الزعانف لا تزال مصنوعة من الألومنيوم، والتي يمكنها تحقيق الانتشار الحراري السريع والفعالية من حيث التكلفة.

تقنية الرش البارد عبارة عن طلاء سطحي مبتكر للغاية وعملية تصنيع إضافية يمكن استخدامها لتوصيل النحاس والألمنيوم والتغلب على المشكلات المتعلقة بالربط باللحام والنحاس. يمكن لعملية الرش البارد أن ترسب جزيئات المسحوق في حالة صلبة على سطح الركيزة عند درجات حرارة أقل بكثير من نقطة انصهار المادة، وبالتالي تجنب المشاكل الشائعة الناجمة عن ارتفاع درجة الحرارة، مثل الأكسدة في درجة الحرارة العالية، والإجهاد الحراري، والصغرى تحول المرحلة. الرش البارد عبارة عن تقنية معالجة تعتمد على المسحوق حيث يتم تسريع جزيئات المسحوق بحجم ميكرون بواسطة غاز مضغوط أسرع من الصوت في الفوهة، مما يتسبب في اصطدام جزيئات المسحوق عالية السرعة بالركيزة، مما يتسبب في تشوه البلاستيك والترابط مع الركيزة. تتمتع عملية CS بوقت إنتاج أقصر وتسمح بالاختيار المرن لبناء الترسيب واسع النطاق أو المحلي.

كما هو معروف، عادة ما يتم قياس أداء المشتت الحراري بناءً على قيم المقاومة الحرارية. المقاومة الحرارية هي مقياس لدرجة الحرارة في الجزء العلوي من الرادياتير أعلى من درجة الحرارة المحيطة لكل وحدة طاقة تبددها الرادياتير. كلما انخفضت قيمة المقاومة الحرارية، انخفضت درجة الحرارة في الجزء العلوي من الزعانف في نفس بيئة التبريد، وكان أداء التبريد للرادياتير أفضل. تكلفة إنتاج المشعاعات المركبة لتصنيع الرش البارد أعلى قليلاً من تكلفة مشعات الألومنيوم، لكن الوزن والتكلفة أقل من مشعات النحاس. إن إضافة طبقة من النحاس إلى مشعاع الألمنيوم له تأثير مباشر على تكاليف الإنتاج، لكن الفائدة هي أنها ستقلل من المقاومة الحرارية للمبرد بنسبة 48%.