Теплоотвод (англ. heatsink, радиатор) — это пассивное устройство, предназначенное для увеличения площади теплообмена электронного компонента (например, микропроцессора, силового транзистора) с окружающей средой. Путём эффективного отвода джоулева тепла, выделяемого при работе полупроводникового прибора, радиатор предотвращает его перегрев выше максимальной рабочей температуры (Tj max), которая для кремниевых кристаллов обычно лежит в диапазоне +125°C…+150°C. Конструктивно теплоотвод представляет собой ребристую или игольчатую металлическую конструкцию, монтируемую непосредственно на корпус компонента.
Конструкция, материалы и методы монтажа
Наиболее распространённые материалы — алюминиевые сплавы (теплопроводность λ ≈ 200–250 Вт/(м·К)) и, для более эффективных решений, медь (λ ≈ 400 Вт/(м·К)). Для сложных случаев (например, в СВЧ-транзисторах или светодиодах высокой мощности) используются композитные материалы с карбидом кремния или даже алмазные теплопроводящие подложки.
Тепловой интерфейс между корпусом компонента и радиатором заполняется теплопроводящей пастой (thermal grease), например, на основе оксида цинка или керамики, или упругим теплопроводящим материалом (thermal pad). Крепление осуществляется с помощью пружинных зажимов, винтов или клипс, обеспечивающих необходимое давление для минимального теплового сопротивления контакта (contact thermal resistance).
Примеры применения и температурные режимы
-
Центральные процессоры (CPU).
Мощность рассеяния до 150 Вт и более. Используются массивные алюминиевые или медные радиаторы с тепловыми трубками (heat pipes) и принудительным обдувом вентилятором (cooler). Температура кристалла удерживается в районе +70°C…+90°C. -
Силовые модули (IGBT, MOSFET).
В силовой электронике (инверторы, приводы) применяются профилированные радиаторы с естественной или принудительной конвекцией. Для отвода сотен ватт часто используются жидкостные системы охлаждения (liquid cooling), где теплоноситель циркулирует по каналам в основании радиатора. -
Светодиоды (LED).
Монтажные платы (MCPCB) со встроенным алюминиевым или керамическим теплоотводом для поддержания температуры p-n-перехода ниже +85°C, что напрямую влияет на световой поток и срок службы.
Значение для производства
При сборке электронных модулей правильный выбор и монтаж теплоотвода является частью терморежимного проектирования. Технолог контролирует равномерность нанесения теплопроводящей пасты, момент затяжки крепёжных винтов и отсутствие перекосов. В условиях производства часто выполняется тепловизионный контроль (термография) собранного узла под нагрузкой для проверки эффективности теплового решения. Используемые материалы и методы должны соответствовать требованиям надёжности, особенно при работе в расширенном температурном диапазоне от -40°C до +125°C.
Источники: Стандарты на методы тепловых измерений полупроводниковых приборов (например, JESD51-xx), отраслевые рекомендации по тепловому менеджменту (например, Intel Thermal Mechanical Design Guidelines), общие принципы конструирования изложены в справочниках по радиоэлектронной аппаратуре.