ออกแบบฮีตซิงก์อลูมิเนียมให้ระบายความร้อนดี

ทำไมฮีตซิงก์ต้องใช้อลูมิเนียม

คำตอบสั้นที่สุด: อลูมิเนียมคือจุดสมดุลที่ดีที่สุดระหว่างการนำความร้อน น้ำหนัก ราคา และความง่ายในการผลิต มันนำความร้อนได้ดีกว่าเหล็กราว 3–4 เท่า น้ำหนักเบากว่าทองแดงราว 2 ใน 3 แถมกัดกลึงง่าย ทำฟินบาง ๆ ได้หลากรูปแบบ จึงเป็นวัสดุมาตรฐานของฮีตซิงก์อิเล็กทรอนิกส์ทั่วโลก ทั้งงาน LED, อินเวอร์เตอร์, เพาเวอร์ซัพพลาย และบอร์ดควบคุมมอเตอร์

แต่ "ใช้อลูมิเนียม" เป็นแค่จุดเริ่มต้น ฮีตซิงก์ที่ระบายความร้อนดีจริงต้องออกแบบเกรด รูปทรงฟิน พื้นผิวสัมผัส และวิธีผลิตให้สัมพันธ์กัน บทความนี้สรุปหลักการออกแบบที่วิศวกรและช่างกลใช้จริง

เลือกเกรดจากค่าการนำความร้อน

ปัจจัยแรกของงานฮีตซิงก์คือค่าการนำความร้อน (Thermal Conductivity) ซึ่งบอกว่าวัสดุถ่ายเทความร้อนจากจุดร้อนไปสู่ฟินได้เร็วแค่ไหน ยิ่งค่าสูง ความร้อนกระจายทั่วฮีตซิงก์ได้ดี อุณหภูมิจุดที่ติดชิปจึงต่ำลง

จากตารางจะเห็นว่า อลูมิเนียม 6061-T6 คือตัวเลือกที่คุ้มที่สุดสำหรับฮีตซิงก์ที่ผลิตด้วยการกัดกลึง เพราะนำความร้อนดีในระดับที่ใช้งานได้จริง กัดฟินบางได้เร็ว ทูลส์สึกช้า และหาซื้อแผ่นหนาหลายขนาดได้ง่าย ส่วนฮีตซิงก์รีดขึ้นรูป (Extrusion) มวลผลิตมักใช้ 6063 ซึ่งอยู่ในตระกูล 6xxx เช่นเดียวกัน สำหรับงานที่ต้องการความแข็งแรงเชิงโครงสร้างพ่วงกับการระบายความร้อน เช่น โครงอินเวอร์เตอร์ที่รับแรงด้วย ค่อยพิจารณา อลูมิเนียม 7075 แต่ต้องยอมรับว่านำความร้อนได้น้อยกว่า

หลักการออกแบบฟินและระยะห่าง

หน้าที่ของฟินคือเพิ่มพื้นที่ผิวให้ความร้อนถ่ายสู่อากาศ หลักการที่ต้องจำมี 4 ข้อ

1. พื้นที่ผิวมากกว่าไม่ได้แปลว่าดีกว่าเสมอ — ถ้าฟินถี่เกิน อากาศไหลผ่านระหว่างฟินไม่ได้ ความร้อนจะอุดอยู่ตรงกลาง ระยะห่างฟินสำหรับการระบายแบบธรรมชาติ (Natural Convection) ควรอยู่ราว 5–8 มม. ขึ้นไป ส่วนงานที่มีพัดลมเป่า (Forced Convection) บีบระยะห่างลงได้ถึงราว 2–3 มม.
2. ฟินบางดีกว่าฟินหนา ในระดับหนึ่ง — ฟินบาง 1–1.5 มม. ให้พื้นที่ผิวต่อน้ำหนักมากกว่า แต่ถ้าบางเกินไปจะกัดยาก โก่งงอ และความร้อนเดินไปสุดปลายฟินไม่ทัน
3. ฐานต้องหนาพอ — ฐานฮีตซิงก์ทำหน้าที่กระจายความร้อนจากชิปออกด้านข้างก่อนขึ้นฟิน ถ้าฐานบางเกิน ความร้อนจะกองอยู่ตรงกลาง โดยทั่วไปฐานควรหนาอย่างน้อย 3–5 มม. หรือมากกว่าถ้าแหล่งความร้อนมีพื้นที่เล็กแต่กำลังความร้อนสูง
4. ทิศทางฟินต้องรับการไหลของอากาศ — งานระบายธรรมชาติฟินต้องตั้งแนวดิ่งให้อากาศร้อนลอยผ่านขึ้นได้ อย่าวางฟินนอนปิดทางลม

ผิวสัมผัสและวัสดุประสาน จุดที่คนมองข้าม

ต่อให้ฮีตซิงก์ออกแบบดีแค่ไหน ถ้ารอยต่อระหว่างชิปกับฐานฮีตซิงก์ไม่แนบสนิท ความต้านทานความร้อนจะพุ่งทันที เพราะอากาศในรอยว่างเป็นฉนวนชั้นดี สิ่งที่ต้องควบคุมคือ

• ความเรียบของผิวฐาน — ผิวฐานที่สัมผัสชิปควรกัดละเอียดให้ได้ Ra ระดับ 1.6–3.2 ไมโครเมตร และต้องเรียบจริง ไม่โก่ง งานที่ต้องการประสิทธิภาพสูงอาจต้องขัดผิว (Lapping) เพิ่ม
• วัสดุประสานความร้อน (Thermal Interface Material) — ซิลิโคนประสานความร้อนหรือแผ่นเทอร์มัลแพดช่วยเติมรอยว่างระดับไมครอน อย่าประกอบแห้ง ๆ โดยไม่ใส่เด็ดขาด
• แรงกดประกอบ — สกรูยึดต้องให้แรงกดสม่ำเสมอทั่วผิวสัมผัส จุดยึดควรอยู่ใกล้แหล่งความร้อนที่สุดเท่าที่โครงสร้างจะเอื้อม

เลือกวิธีผลิต: รีดขึ้นรูป หรือกัดจากแผ่น

ฮีตซิงก์มี 2 เส้นทางผลิตหลัก การเลือกขึ้นกับจำนวนผลิตและรูปทรง

• รีดขึ้นรูป (Extrusion) — เหมาะกับงานจำนวนมาก รูปทรงฟินตรงยาวตลอดท่อน ต้นทุนต่อชิ้นต่ำ แต่ต้องลงทุนแม่พิมพ์รีด และรูปทรงจำกัดเฉพาะรีดได้ในทิศเดียว
• กัด CNC จากแผ่น — เหมาะกับต้นแบบ งานจำนวนน้อย หรือรูปทรงที่รีดไม่ได้ เช่น ฟินแบบเข็ม (Pin Fin) ฐานหนาพิเศษ หรือฮีตซิงก์ที่รวมโครงสร้างกล่องไว้ในชิ้นเดียว งานลักษณะนี้มักเริ่มจากแผ่น 6061-T651 หนา แล้วกัดฟินออกจากเนื้อเดียวกัน

สำหรับงานกัดจากแผ่น การสั่งวัสดุ ตัดตามขนาด ให้ใกล้ขนาดชิ้นงานจริงช่วยลดเวลากัดหยาบและลดเศษเหลือทิ้งได้มาก โดยเฉพาะงานฐานหนาที่ต้องซื้อแผ่นหนา 50 มม. ขึ้นไป ซื้อเต็มแผ่นมาตัดเองมักเหลือเศษเกินความจำเป็น

สรุป

• อลูมิเนียมนำความร้อนดีกว่าเหล็กราว 3–4 เท่า เบาและกัดง่าย จึงเป็นวัสดุมาตรฐานของฮีตซิงก์
• 6061-T6 ให้สมดุลดีที่สุดระหว่างการนำความร้อน ความง่ายในการกัด และการหาซื้อ สำหรับฮีตซิงก์ที่ผลิตด้วย CNC
• ระยะห่างฟินต้องสัมพันธ์กับวิธีระบาย ธรรมชาติใช้ห่างกว่า มีพัดลมใช้ถี่กว่าได้
• ผิวสัมผัสและวัสดุประสานความร้อนมีผลต่อประสิทธิภาพพอ ๆ กับรูปทรงฟิน
• งานต้นแบบหรือรูปทรงซับซ้อนให้กัดจากแผ่น งานจำนวนมากรูปทรงตรงค่อยไปรีดขึ้นรูป

คำถามที่พบบ่อย

ฮีตซิงก์ควรใช้อลูมิเนียมเกรดไหนดีที่สุด?

สำหรับงานกัด CNC ทั่วไป 6061-T6 คือคำตอบ เพราะนำความร้อนได้ราว 167 W/m·K กัดฟินบางได้ง่าย ทูลส์สึกช้า และหาซื้อแผ่นหนาหลายขนาด ถ้าต้องการการนำความร้อนสูงสุดจริง ๆ ต้องไปอลูมิเนียมบริสุทธิ์ซีรีส์ 1xxx แต่ต้องยอมรับว่าเนื้ออ่อนและกัดยากกว่ามาก

ทำไมไม่ใช้ทองแดงทำฮีตซิงก์ทั้งชิ้น?

ทองแดงนำความร้อนได้ดีกว่าอลูมิเนียมเกือบ 2.5 เท่า แต่หนักกว่าราว 3 เท่าและราคาสูงกว่าหลายเท่า วิธีที่วิศวกรนิยมใช้คือทำฮีตซิงก์อลูมิเนียมทั้งชิ้น แล้วฝังแผ่นทองแดงหรือท่อความร้อน (Heat Pipe) เฉพาะจุดที่ร้อนที่สุด ได้ประสิทธิภาพใกล้เคียงแต่น้ำหนักและราคาสมเหตุสมผล

อโนไดซ์ฮีตซิงก์ช่วยระบายความร้อนได้จริงไหม?

ช่วยเล็กน้อยในด้านการแผ่รังสีความร้อน เพราะผิวอโนไดซ์สีเข้มมีค่าการแผ่รังสี (Emissivity) สูงกว่าผิวอลูมิเนียมเงา แต่ผลหลักของอโนไดซ์คือกันผิวสึก กันกัดกร่อน และกันไฟฟ้ารั่ว อย่าคาดหวังว่าอโนไดซ์แล้วอุณหภูมิจะลดมาก การออกแบบฟินและการไหลของอากาศยังสำคัญกว่ามาก

กัดฮีตซิงก์จากแผ่น 6061 ต้องเผื่อวัสดุเท่าไร?

เผื่อตามหลักงานกลึงทั่วไป คือ 2–3 มม. ต่อด้านสำหรับผิวที่ต้องกัด แต่จุดสำคัญของฮีตซิงก์คือความหนาฐาน ให้กำหนดความหนาฐานสุทธิในแบบก่อน แล้วบวกเผื่อกัดผิวฐานเข้าไป สั่งแผ่นที่หนาใกล้ขนาดสุทธิที่สุดเพื่อลดเวลากัดหยาบ

บทความที่เกี่ยวข้อง

• วิธีเลือกอลูมิเนียมสำหรับงาน CNC
• กล่องอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จากอลูมิเนียม
• วิธีคำนวณน้ำหนักอลูมิเนียม พร้อมสูตรและตัวอย่าง

กำลังออกแบบฮีตซิงก์หรือชิ้นงานระบายความร้อนอยู่ ส่งแบบมาให้ทีม PX Metal ช่วยเลือกเกรดและตัดแผ่นเผื่อขนาดให้พร้อมขึ้นเครื่องได้เลยที่ LINE @548vojid หรือโทร 090-960-0063 ตอบกลับภายใน 1 ชั่วโมงในเวลาทำการ