تقليل الحرارة

بالنسبة لأجهزة أشباه الموصلات المستخدمة في مختلف الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية والصناعية، يُسهّل مفهوم المقاومة الحرارية عملية اختيار مشتتات الحرارة. يُنمذج تدفق الحرارة بين رقاقة أشباه الموصلات والهواء المحيط كسلسلة من المقاومات لتدفق الحرارة؛ فهناك مقاومة من الرقاقة إلى غلاف الجهاز، ومن الغلاف إلى مشتت الحرارة، ومن مشتت الحرارة إلى الهواء المحيط. مجموع هذه المقاومات هو المقاومة الحرارية الكلية من الرقاقة إلى الهواء المحيط. تُعرَّف المقاومة الحرارية بأنها ارتفاع درجة الحرارة لكل وحدة طاقة، على غرار المقاومة الكهربائية، وتُقاس بوحدة درجة مئوية لكل واط (°C/W). إذا عُرفت قدرة تبديد الطاقة للجهاز بالواط، وحُسبت المقاومة الحرارية الكلية، يُمكن حساب ارتفاع درجة حرارة الرقاقة فوق درجة حرارة الهواء المحيط.

إن مفهوم المقاومة الحرارية لمشتتات الحرارة في أشباه الموصلات هو مفهوم تقريبي، إذ لا يأخذ في الحسبان التوزيع غير المنتظم للحرارة على سطح الجهاز أو المشتت. فهو يُحاكي فقط نظامًا في حالة توازن حراري، ولا يأخذ في الاعتبار تغير درجات الحرارة مع مرور الوقت، كما أنه لا يعكس عدم الخطية في الإشعاع والحمل الحراري فيما يتعلق بارتفاع درجة الحرارة. مع ذلك، تُدرج الشركات المصنعة قيمًا نموذجية للمقاومة الحرارية لمشتتات الحرارة وأجهزة أشباه الموصلات، مما يُسهّل عملية اختيار مشتتات الحرارة المتوفرة تجاريًا. ^{[ 2 ]}

تتميز مشتتات الحرارة المصنوعة من الألومنيوم المبثوق تجاريًا بمقاومة حرارية (من مشتت الحرارة إلى الهواء المحيط) تتراوح من 0.4 درجة مئوية/واط للمشتتات الكبيرة المصممة لأجهزة TO-3 ، إلى 85 درجة مئوية/واط لمشتتات الحرارة المثبتة بمشبك على علبة بلاستيكية صغيرة TO-92 . ^{[ 2 ]} يتميز ترانزستور الطاقة 2N3055 الشائع الاستخدام في علبة TO-3 بمقاومة حرارية داخلية من الوصلة إلى العلبة تبلغ 1.52 درجة مئوية/واط . ^{[ 3 ]} قد تتراوح المقاومة الحرارية بين نقطة التلامس بين علبة الجهاز ومشتت الحرارة بين 0.5 و1.7 درجة مئوية/واط ، وذلك تبعًا لحجم العلبة واستخدام الشحم أو حلقة الميكا العازلة. ^{[ 2 ]}

يجب أن تتمتع المواد المستخدمة في تطبيقات المشتتات الحرارية بسعة حرارية عالية وموصلية حرارية عالية لامتصاص أكبر قدر من الطاقة الحرارية دون ارتفاع درجة حرارتها بشكل كبير، ونقلها إلى البيئة لتبريد فعال. ^{[ 4 ]} تُعد سبائك الألومنيوم من أكثر مواد المشتتات الحرارية شيوعًا . ^{[ 5 ]} تتميز سبيكة الألومنيوم 1050 بواحدة من أعلى قيم الموصلية الحرارية، حيث تبلغ 229  واط/(متر·كلفن) وسعة حرارية تبلغ 922 جول/(كيلوجرام·كلفن)، ^{[ 6 ]} إلا أنها لينة ميكانيكيًا. تُستخدم سبائك الألومنيوم 6060 (منخفضة الإجهاد)، و 6061 ، و 6063  بشكل شائع، بقيم موصلية حرارية تبلغ 166 و201 واط/(متر·كلفن) على التوالي. وتعتمد هذه القيم على حالة السبيكة. يمكن تصنيع المشتتات الحرارية المصنوعة من الألومنيوم كوحدة واحدة عن طريق البثق ، أو الصب ، أو التشكيل ، أو الطحن .

يتمتع النحاس بخصائص تبريد ممتازة من حيث التوصيل الحراري، ومقاومة التآكل، ومقاومة التلوث البيولوجي ، ومقاومة الميكروبات (انظر أيضًا: النحاس في المبادلات الحرارية ). تبلغ الموصلية الحرارية للنحاس ضعف موصلية الألومنيوم تقريبًا، أي حوالي 400  واط/(متر·كلفن) للنحاس النقي. وتشمل تطبيقاته الرئيسية المنشآت الصناعية، ومحطات توليد الطاقة، وأنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية ، وأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء، وسخانات المياه الغازية، وأنظمة التدفئة والتبريد بالهواء القسري، وأنظمة التدفئة والتبريد الجوفية ، والأنظمة الإلكترونية.

النحاس أكثر كثافة بثلاث مرات من الألومنيوم ^{[ 5 ]} وأغلى ثمناً منه، كما أنه أقل مرونة منه. ^{[ 5 ]} يمكن تصنيع مشتتات الحرارة النحاسية قطعة واحدة عن طريق الكشط أو الطحن . ويمكن لحام زعانف من الصفائح المعدنية على جسم نحاسي مستطيل. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

المشتت الحراري ذو الزعانف الدبوسية هو مشتت حراري مزود بدبابيس تمتد من قاعدته. قد تكون هذه الدبابيس أسطوانية أو بيضاوية أو مربعة. النوع الثاني من ترتيب زعانف المشتت الحراري هو الزعانف المستقيمة. ومن أنواع المشتت الحراري الأخرى الزعانف المتقاطعة. أما النوع الثالث فهو المشتت الحراري ذو الزعانف المتسعة، حيث لا تكون الزعانف متوازية. يقلل توسيع الزعانف من مقاومة تدفق الهواء، مما يسمح بمرور كمية أكبر من الهواء عبر قناة الزعانف؛ وإلا، سيتجاوز الهواء الزعانف. يحافظ تصميم الزعانف المائلة على الأبعاد الكلية نفسها، ولكنه يوفر زعانف أطول. تظهر أمثلة على الأنواع الثلاثة في الصورة على اليمين.

نشر فورغان وآخرون ^{[ 13 ]}  بياناتٍ حول اختباراتٍ أُجريت على مشتتات حرارية ذات زعانف دقيقة، وزعانف مستقيمة، وزعانف متسعة. ووجدوا أنه عند سرعات هواء منخفضة، تبلغ عادةً حوالي 1 متر/ثانية، يكون الأداء الحراري أفضل بنسبة 20% على الأقل من المشتتات الحرارية ذات الزعانف المستقيمة. كما وجد لاسانس وإيغينك ^{[ 14 ]} أنه في تكوينات التجاوز التي اختبروها، كان أداء المشتت الحراري المتسع أفضل من المشتتات الحرارية الأخرى التي تم اختبارها.

بشكل عام، كلما زادت مساحة سطح المشتت الحراري، تحسّن أداؤه. ^{[ 1 ]} يعتمد الأداء الفعلي على التصميم والتطبيق. تقوم فكرة المشتت الحراري ذي الزعانف الدبوسية على تكثيف أكبر مساحة سطح ممكنة ضمن حجم محدد، مع العمل في أي اتجاه لتدفق السائل. ^{[ 1 ]} قارن كورديبان ^{[ 1 ]}  أداء مشتت حراري ذي زعانف دبوسية وآخر ذي زعانف مستقيمة بأبعاد متقاربة. على الرغم من أن مساحة سطح المشتت ذي الزعانف الدبوسية تبلغ 194 سم² بينما تبلغ مساحة سطح المشتت ذي الزعانف المستقيمة 58 ^{سم² ،} إلا أن فرق درجة الحرارة بين قاعدة المشتت الحراري والهواء المحيط في حالة المشتت ذي الزعانف الدبوسية يبلغ 50  درجة مئوية ، بينما يبلغ 44 درجة مئوية في حالة المشتت ذي الزعانف المستقيمة ، أي بفارق 6 درجات مئوية عن المشتت ذي الزعانف الدبوسية. يتفوق أداء المشتت الحراري ذي الزعانف الدبوسية بشكل ملحوظ على المشتت ذي الزعانف المستقيمة عند استخدامه في التطبيق الأمثل حيث يتدفق السائل محوريًا على طول الزعانف الدبوسية بدلاً من تدفقه بشكل مماس فقط.  

Cavities (inverted fins) embedded in a heat source are the regions formed between adjacent fins that stand for the essential promoters of nucleate boiling or condensation. These cavities are usually utilized to extract heat from a variety of heat-generating bodies to a heat sink.^[15][16]

Placing a conductive thick plate as a heat-transfer interface between a heat source and a cold flowing fluid (or any other heat sink) may improve the cooling performance. In such arrangement, the heat source is cooled under the thick plate instead of being cooled in direct contact with the cooling fluid. It is shown that the thick plate can significantly improve the heat transfer between the heat source and the cooling fluid by conducting the heat current in an optimal manner. The two most attractive advantages of this method are that no additional pumping power and no extra heat-transfer surface area, that is quite different from fins (extended surfaces).

The heat transfer from the heat sink occurs by convection of the surrounding air, conduction through the air, and radiation.

Heat transfer by radiation is a function of both the heat-sink temperature and the temperature of the surroundings that the heat sink is optically coupled with. When both of these temperatures are on the order of 0 °C to 100 °C, the contribution of radiation compared to convection is generally small, and this factor is often neglected. In this case, finned heat sinks operating in either natural-convection or forced-flow will not be affected significantly by surface emissivity.

في الحالات التي يكون فيها الحمل الحراري منخفضًا، كما هو الحال في الألواح المسطحة غير المزودة بزعانف والتي تعاني من تدفق هواء منخفض، يُمكن أن يُشكّل التبريد الإشعاعي عاملًا هامًا. وهنا، قد تُعدّ خصائص السطح عاملًا تصميميًا بالغ الأهمية. فالأسطح السوداء غير اللامعة تُشعّ بكفاءة أعلى بكثير من المعادن اللامعة. ^{[ 17 ] [ 18 ]} يتميز سطح المعدن اللامع بانخفاض انبعاثيته . وتعتمد انبعاثية المادة بشكل كبير على التردد، وترتبط بامتصاصيتها (التي تتميز بها أسطح المعادن اللامعة بنسبة ضئيلة جدًا). ​​بالنسبة لمعظم المواد، تكون الانبعاثية في الطيف المرئي مماثلة للانبعاثية في طيف الأشعة تحت الحمراء؛ ومع ذلك، توجد استثناءات ، ولا سيما بعض أكاسيد المعادن التي تُستخدم كـ" أسطح انتقائية ". 

في الفراغ أو الفضاء الخارجي ، لا يوجد انتقال حراري بالحمل، لذا في هذه البيئات، يُعد الإشعاع العامل الوحيد الذي يتحكم في تدفق الحرارة بين المشتت الحراري والبيئة المحيطة. بالنسبة لقمر صناعي في الفضاء، فإن سطحًا تبلغ درجة حرارته 100 درجة مئوية (373 كلفن) مواجهًا للشمس سيمتص كمية كبيرة من الحرارة الإشعاعية، لأن درجة حرارة سطح الشمس تقارب 6000 كلفن، بينما سيشع السطح نفسه المواجه للفضاء السحيق كمية كبيرة من الحرارة، نظرًا لأن درجة الحرارة الفعالة للفضاء السحيق لا تتجاوز بضعة كلفن.   

يُعدّ تبديد الحرارة نتيجة حتمية للأجهزة والدوائر الإلكترونية. ^{[ 9 ]} وبشكل عام، تعتمد درجة حرارة الجهاز أو المكون على المقاومة الحرارية بين المكون والبيئة المحيطة، وعلى كمية الحرارة التي يُبددها. ولضمان عدم ارتفاع درجة حرارة المكون بشكل مفرط ، يسعى مهندس الحرارة إلى إيجاد مسار فعال لنقل الحرارة من الجهاز إلى البيئة. قد يكون مسار نقل الحرارة من المكون إلى لوحة الدوائر المطبوعة (PCB)، أو إلى مشتت حراري، أو إلى تدفق الهواء الذي توفره المروحة، ولكن في جميع الأحوال، ينتهي المطاف بالحرارة في البيئة المحيطة.

هناك عاملان تصميميان إضافيان يؤثران أيضاً على الأداء الحراري/الميكانيكي للتصميم الحراري:

1. طريقة تركيب المشتت الحراري على أحد المكونات أو المعالج. سيتم تناول هذا الموضوع بالتفصيل في قسم طرق التركيب .
2. لكل سطح تلامس بين جسمين، يحدث انخفاض في درجة الحرارة عبر هذا السطح. في الأنظمة المركبة، قد يكون هذا الانخفاض ملحوظًا. ^{[ 10 ]} يُعزى هذا التغير في درجة الحرارة إلى ما يُعرف بمقاومة التلامس الحراري. ^{[ 10 ]} تعمل مواد التوصيل الحراري (TIM) على تقليل مقاومة التلامس الحراري.

طرق التعلق

مع ازدياد استهلاك الطاقة للمكونات وانخفاض حجمها، يتعين على مهندسي التبريد ابتكار حلول لضمان عدم ارتفاع درجة حرارة المكونات . فالأجهزة التي تعمل بدرجة حرارة منخفضة تدوم لفترة أطول. يجب أن يفي تصميم مشتت الحرارة بالمتطلبات الحرارية والميكانيكية على حد سواء. فيما يتعلق بالمتطلبات الميكانيكية، يجب أن يبقى المكون على اتصال حراري مع مشتت الحرارة مع تحمل الصدمات والاهتزازات بشكل معقول. يمكن أن يكون مشتت الحرارة عبارة عن رقاقة نحاسية للوحة الدوائر، أو مشتت حرارة منفصل مثبت على المكون أو لوحة الدوائر. تشمل طرق التثبيت الشريط الموصل للحرارة أو الإيبوكسي، ومشابك Z السلكية ، ومشابك الزنبرك المسطحة، وفواصل التثبيت، ودبابيس الضغط ذات الأطراف القابلة للتمدد بعد التركيب.

شريط موصل حرارياً

يُعد الشريط الموصل للحرارة من أكثر مواد تثبيت المشتتات الحرارية فعالية من حيث التكلفة. ^{[ 19 ]} وهو مناسب للمشتتات الحرارية خفيفة الوزن والمكونات ذات استهلاك الطاقة المنخفض. ويتكون من مادة حاملة موصلة للحرارة مع لاصق حساس للضغط على كل جانب.

يُلصق هذا الشريط على قاعدة المشتت الحراري، الذي يُثبّت بدوره على المكون. وفيما يلي العوامل التي تؤثر على أداء الشريط الحراري: ^{[ 19 ]}

1. يجب أن تكون أسطح كل من المكون والمشتت الحراري نظيفة، وخالية من أي بقايا مثل طبقة من شحم السيليكون .
2. يُعدّ ضغط التحميل المسبق ضروريًا لضمان التلامس الجيد. ويؤدي الضغط غير الكافي إلى مناطق عدم تلامس مع الهواء المحبوس، مما ينتج عنه مقاومة حرارية أعلى من المتوقع عند نقطة التلامس.
3. تميل الأشرطة السميكة إلى توفير "تبليل" أفضل مع أسطح المكونات غير المستوية. "التبليل" هو نسبة مساحة التلامس بين الشريط والمادة. مع ذلك، تتمتع الأشرطة السميكة بمقاومة حرارية أعلى من الأشرطة الرقيقة. من وجهة نظر التصميم، يُفضّل تحقيق التوازن باختيار سُمك الشريط الذي يوفر أقصى "تبليل" مع أقل مقاومة حرارية.

إيبوكسي

يُعدّ الإيبوكسي أغلى ثمناً من الشريط اللاصق، ولكنه يوفر رابطة ميكانيكية أقوى بين المشتت الحراري والمكون، فضلاً عن تحسين التوصيل الحراري. ^{[ 19 ]} يجب أن يكون الإيبوكسي المُختار مُصمماً خصيصاً لهذا الغرض. تتكون معظم أنواع الإيبوكسي من تركيبات سائلة ثنائية المكونات، ويجب خلطها جيداً قبل وضعها على المشتت الحراري، وقبل وضع المشتت الحراري على المكون. بعد ذلك، يُترك الإيبوكسي ليجف لمدة محددة، تتراوح بين ساعتين و48 ساعة. ويمكن تسريع عملية التجفيف عند درجات حرارة أعلى. يجب أن تكون الأسطح التي يُوضع عليها الإيبوكسي نظيفة وخالية من أي بقايا.

الرابطة الإيبوكسية بين المشتت الحراري والمكون شبه دائمة/دائمة. ^{[ 19 ]} وهذا يجعل إعادة العمل صعبة للغاية، بل ومستحيلة في بعض الأحيان. أكثر الأضرار شيوعًا الناتجة عن إعادة العمل هو انفصال موزع الحرارة الخاص بشريحة المكون عن غلافه.

مشابك على شكل حرف Z مصنوعة من الأسلاك

تُعدّ مشابك Z السلكية أغلى ثمناً من الشريط اللاصق والإيبوكسي، وهي تُستخدم لتثبيت مشتتات الحرارة ميكانيكياً. لاستخدام هذه المشابك، يجب أن تحتوي لوحة الدوائر المطبوعة على نقاط تثبيت. يمكن لحام نقاط التثبيت على اللوحة أو دفعها من خلالها. يتطلب كلا النوعين تصميم ثقوب في اللوحة. يجب مراعاة استخدام لحام متوافق مع توجيهات RoHS، لأن هذا النوع من اللحام أضعف ميكانيكياً من لحام الرصاص/القصدير التقليدي.

للتجميع باستخدام مشبك Z ، قم بتثبيت أحد طرفيه في إحدى نقاط التثبيت. ثم قم بثني الزنبرك حتى تتمكن من وضع الطرف الآخر من المشبك في نقطة التثبيت الأخرى. يؤدي هذا الثني إلى توليد قوة زنبركية على المكون، مما يحافظ على اتصال ممتاز. بالإضافة إلى التثبيت الميكانيكي الذي يوفره مشبك Z، فإنه يسمح أيضًا باستخدام مواد توصيل حراري عالية الأداء، مثل مواد تغيير الطور. ^{[ 19 ]}

مقاطع فيديو

تتوفر هذه المشابك للمعالجات ومكونات مصفوفة الكرات الشبكية (BGA)، وتتيح تثبيت مشتت حراري BGA مباشرةً على المكون. تستغل هذه المشابك الفجوة التي تُنشئها مصفوفة الكرات الشبكية (BGA) بين الجانب السفلي للمكون والسطح العلوي للوحة الدوائر المطبوعة (PCB). وبالتالي، لا تتطلب هذه المشابك أي ثقوب في لوحة الدوائر المطبوعة، كما أنها تُسهّل إعادة تركيب المكونات.

دبابيس دفع مزودة بنوابض ضغط

بالنسبة للمشتتات الحرارية الكبيرة والضغط المسبق العالي، تُعدّ دبابيس الدفع المزودة بنوابض ضغط فعّالة للغاية. ^{[ 19 ]} تُصنع دبابيس الدفع عادةً من النحاس أو البلاستيك، ولها نتوء مرن في نهايتها يتعشق مع فتحة في لوحة الدوائر المطبوعة؛ وبمجرد تركيبها، يُثبّت النتوء الدبوس. يُحافظ نابض الضغط على تماسك المجموعة ويضمن التلامس بين المشتت الحراري والمكون. يجب توخي الحذر عند اختيار حجم دبوس الدفع، إذ قد تؤدي قوة الإدخال المفرطة إلى تشقق الرقاقة الإلكترونية وبالتالي تلف المكون.

فواصل ملولبة مزودة بنوابض ضغط

بالنسبة للمشتتات الحرارية الكبيرة جدًا، لا بديل عن طريقة التثبيت باستخدام دعامة ملولبة ونابض ضغط. ^{[ 19 ]} الدعامة الملولبة عبارة عن أنبوب معدني مجوف ذي أسنان داخلية. يُثبّت أحد طرفيه بمسمار يمر عبر ثقب في لوحة الدوائر المطبوعة (PCB). أما الطرف الآخر فيستقبل مسمارًا يضغط النابض، مُكملاً بذلك عملية التجميع. عادةً ما يستخدم المشتت الحراري دعامتين إلى أربع دعامات، مما يجعله التصميم الأكثر تكلفة لتثبيت المشتتات الحرارية. ومن عيوبه الأخرى الحاجة إلى ثقوب في لوحة الدوائر المطبوعة.

ملخص طرق تركيب المشتت الحراري ^{[ 19 ]}

طريقة	الإيجابيات	السلبيات	يكلف
شريط حراري	سهل التركيب. غير مكلف.	لا يمكن استخدام التثبيت الميكانيكي مع المشتتات الحرارية الثقيلة أو في البيئات ذات الاهتزازات العالية. يجب تنظيف السطح لضمان الالتصاق الأمثل. موصلية حرارية متوسطة إلى منخفضة.	منخفض جداً
إيبوكسي	قوة التصاق ميكانيكية عالية. سعر معقول نسبياً.	يُصعّب ذلك إعادة تركيب اللوحة الإلكترونية لأنه قد يُتلف المكونات. يجب تنظيف السطح لضمان الالتصاق الأمثل.	منخفض جداً
مشابك على شكل حرف Z مصنوعة من الأسلاك	تثبيت ميكانيكي قوي. سهولة الفك والتركيب. يطبق ضغطًا مسبقًا على مادة التوصيل الحراري، مما يحسن الأداء الحراري.	يتطلب الأمر ثقوبًا في اللوحة أو استخدام مثبتات لحام. أغلى من الشريط اللاصق أو الإيبوكسي. تصاميم حسب الطلب.	قليل
مشبك تثبيت	يطبق ضغطًا مسبقًا على مادة التوصيل الحراري، مما يحسن الأداء الحراري. لا يتطلب ثقوبًا أو مثبتات. سهل الإزالة/إعادة العمل.	يجب وجود منطقة "ممنوع الدخول" حول وحدة BGA لتثبيت المشبك. خطوات تجميع إضافية.	قليل
دبوس دفع مزود بنابض ضغط	تثبيت ميكانيكي قوي. أعلى قدرة على تحمل الضغط المسبق لمادة التوصيل الحراري. سهولة الفك والتركيب.	يتطلب ذلك وجود ثقوب في اللوحة مما يزيد من تعقيد المسارات في لوحة الدوائر المطبوعة.	معتدل
فواصل مزودة بنوابض ضغط	أقوى تثبيت ميكانيكي. أعلى قدرة تحميل مسبق لمادة التوصيل الحراري. مثالي للمشتتات الحرارية الكبيرة.	يتطلب ذلك وجود ثقوب في اللوحة مما يزيد من تعقيد تصميم المسارات. عملية تجميع معقدة.	عالي

مواد التوصيل الحراري

تنشأ مقاومة التلامس الحراري نتيجةً للفراغات الناتجة عن خشونة السطح، والعيوب، وعدم محاذاة السطح البيني. تمتلئ هذه الفراغات بالهواء، وبالتالي ينتقل الحرارة عبر التوصيل الحراري في منطقة التلامس الفعلية، بالإضافة إلى التوصيل (أو الحمل الحراري الطبيعي) والإشعاع عبر هذه الفراغات. ^{[ 10 ]} إذا كانت منطقة التلامس صغيرة، كما هو الحال في الأسطح الخشنة، فإن الفراغات تُسهم بشكل رئيسي في المقاومة. ^{[ 10 ]} لتقليل مقاومة التلامس الحراري، يمكن تقليل خشونة السطح مع زيادة ضغط السطح البيني. مع ذلك، لا تكون هذه الطرق التحسينية عملية أو ممكنة دائمًا للأجهزة الإلكترونية. تُعد مواد التوصيل الحراري (TIM) وسيلة شائعة للتغلب على هذه القيود.

تعمل مواد التوصيل الحراري المُطبقة بشكل صحيح على إزاحة الهواء الموجود في الفراغات بين الجسمين بمادة ذات موصلية حرارية أعلى بكثير. تبلغ الموصلية الحرارية للهواء 0.022  واط/(متر·كلفن) ^{[ 20 ]} ، بينما تبلغ موصلية مواد التوصيل الحراري 0.3  واط/(متر·كلفن) ^{[ 21 ]} أو أعلى.

عند اختيار مادة التوصيل الحراري، يجب توخي الحذر بشأن القيم التي يقدمها المصنّع. فمعظم المصنّعين يقدمون قيمة للتوصيل الحراري للمادة. ومع ذلك، فإن التوصيل الحراري لا يأخذ في الحسبان مقاومة التلامس. لذا، إذا كانت مادة التوصيل الحراري تتمتع بتوصيل حراري عالٍ، فهذا لا يعني بالضرورة أن مقاومة التلامس ستكون منخفضة.

يعتمد اختيار مادة التوصيل الحراري (TIM) على ثلاثة معايير: فجوة التلامس التي يجب أن تملأها المادة، وضغط التلامس، والمقاومة الكهربائية للمادة. ضغط التلامس هو الضغط المُطبق على سطح التلامس بين المادتين. ولا يشمل الاختيار تكلفة المادة. قد تكون المقاومة الكهربائية مهمة تبعًا لتفاصيل التصميم الكهربائي.

الاختيار بناءً على فجوة الواجهة ^{[ 21 ]}

قيم فجوة الواجهة		أنواع المنتجات المتاحة
< 0.05  مم	أقل من 2 مليون	الشحوم الحرارية، الإيبوكسي، مواد تغيير الطور
0.05–0.1  مم	2-5 مل	مواد تغيير الطور، أو البوليميد ، أو الجرافيت، أو أشرطة الألومنيوم
0.1–0.5  مم	5-18 مليون	أقمشة مطلية بالسيليكون
> 0.5  مم	> 18 مليون	حشوات الفراغات

الاختيار بناءً على ضغط التلامس ^{[ 21 ]}

مقياس ضغط التلامس	نطاقات الضغط النموذجية	أنواع المنتجات المتاحة
منخفض جداً	< 70 كيلو باسكال	حشوات الفراغات
قليل	< 140 كيلو باسكال	الشحم الحراري، أو الإيبوكسي، أو البوليميد، أو الجرافيت، أو أشرطة الألومنيوم
عالي	2 ميجا باسكال	أقمشة مطلية بالسيليكون

الاختيار بناءً على قوة العزل الكهربائي ^{[ 21 ]}

العزل الكهربائي	قوة العزل الكهربائي	القيم النموذجية		أنواع المنتجات المتاحة
غير مطلوب	غير متوفر	غير متوفر	غير متوفر	الشحم الحراري ، أو الإيبوكسي ، أو مواد تغيير الطور ، أو الجرافيت ، أو أشرطة الألومنيوم.
مطلوب	قليل	10 كيلو فولت/مم	< 300 فولت/ميل	أقمشة مطلية بالسيليكون ، مواد حشو الفراغات
مطلوب	عالي	60 كيلو فولت/مم	> 1500 فولت/ميل	شريط بوليميد

ملاحظات تطبيق TIM بناءً على نوع المنتج

نوع المنتج	ملاحظات التطبيق	الأداء الحراري
معجون حراري	فوضوي. يتطلب جهداً كبيراً. وقت تجميع طويل نسبياً.	++++
إيبوكسي	يُنشئ رابطًا "دائمًا" بين الواجهة.	++++
تغير الطور	يسمح بالتثبيت المسبق. يُليّن السطح ويتكيف مع عيوب التوصيل عند درجات حرارة التشغيل. يمكن إعادة وضعه في الموقع.	++++
الأشرطة الحرارية، بما في ذلك أشرطة الجرافيت والبوليميد والألومنيوم	سهل الاستخدام. يتمتع ببعض القوة الميكانيكية.	+++
أقمشة مطلية بالسيليكون	توفير التبطين والعزل مع السماح في الوقت نفسه بانتقال الحرارة.	+
سد الفراغات	يمكن استخدامه لتوصيل المكونات ذات الارتفاعات المختلفة حرارياً بموزع حراري أو مشتت حراري. لزج بطبيعته.	++

يتأثر أداء الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) وعمره الافتراضي بشكل كبير بدرجة حرارته. ^{[ 22 ]} لذا، يُعد التبريد الفعال أمرًا بالغ الأهمية. تُظهر دراسة حالة لمصباح إضاءة سفلي يعمل بتقنية LED مثالًا على الحسابات التي أُجريت لحساب المشتت الحراري المطلوب لتبريد نظام الإضاءة بكفاءة. ^{[ 23 ]} كما تُبين المقالة أنه لضمان موثوقية النتائج، يلزم وجود حلول مستقلة متعددة تُعطي نتائج متقاربة. تحديدًا، يجب أن تكون نتائج الطرق التجريبية والرقمية والنظرية متقاربة بنسبة لا تتجاوز 10% لضمان موثوقية عالية للنتائج.

تُستخدم مشتتات حرارية مؤقتة أحيانًا أثناء لحام لوحات الدوائر الإلكترونية، لمنع الحرارة الزائدة من إتلاف المكونات الإلكترونية الحساسة المجاورة. في أبسط الحالات، يعني هذا تثبيت أحد المكونات جزئيًا باستخدام مشبك معدني سميك، أو ملقط جراحي ، أو ما شابه. عادةً ما تتحمل أجهزة أشباه الموصلات الحديثة، المصممة للتجميع عن طريق لحام إعادة التدفق ، درجات حرارة اللحام دون تلف. من ناحية أخرى، قد تتعطل المكونات الكهربائية، مثل مفاتيح القصب المغناطيسية ، إذا تعرضت لمكاوي لحام ساخنة، لذا لا تزال هذه الممارسة شائعة الاستخدام. ^{[ 24 ]}

إحدى طرق تحديد أداء المشتت الحراري هي استخدام نظريات انتقال الحرارة وديناميكا الموائع. وقد نُشرت إحدى هذه الطرق من قِبل جيجلز وآخرون ^{[ 25 ]} ، إلا أن هذا العمل يقتصر على التدفق الموجه. في التدفق الموجه، يُجبر الهواء على التدفق عبر قناة مُحكمة الإغلاق فوق المشتت الحراري، مما يضمن مرور الهواء بالكامل عبر القنوات التي تُشكلها زعانف المشتت. أما في حالة التدفق غير الموجه، فإن نسبة معينة من الهواء تتجاوز المشتت الحراري. وقد وُجد أن نسبة التجاوز تزداد مع زيادة كثافة الزعانف والمسافة بينها، بينما تبقى غير حساسة نسبيًا لسرعة تدفق الهواء الداخل إلى القناة ^{[ 26 ] .}

يتكون نموذج المقاومة الحرارية للمشتت الحراري من مقاومتين، وهما المقاومة الموجودة في قاعدة المشتت الحراري،${\displaystyle R_{b}}$والمقاومة في الزعانف،${\displaystyle R_{f}}$المقاومة الحرارية لقاعدة المشتت الحراري،${\displaystyle R_{b}}$يمكن كتابة المعادلة على النحو التالي إذا كان المصدر عبارة عن قاعدة مشتت حراري مطبقة بشكل منتظم. أما إذا لم يكن كذلك، فإن مقاومة القاعدة تكون في الأساس مقاومة انتشار:

${\displaystyle R_{b}={\frac {t_{b}}{kA_{b}}}}$(4)

أين${\displaystyle t_{b}}$سمك قاعدة المشتت الحراري،${\displaystyle k}$الموصلية الحرارية لمادة المشتت الحراري و${\displaystyle A_{b}}$هي مساحة قاعدة المشتت الحراري.

المقاومة الحرارية من قاعدة الزعانف إلى الهواء،${\displaystyle R_{f}}$ويمكن حسابها باستخدام الصيغ التالية:

${\displaystyle R_{f}={\frac {1}{nh_{f}W_{f}\left(t_{f}+2\eta _{f}L_{f}\right)}}}$(5)

${\displaystyle \eta _{f}={\frac {\tanh {mL_{c}}}{mL_{c}}}}$^{[ 10 ]} (6)

${\displaystyle mL_{c}={\sqrt {\frac {2h_{f}}{kt_{f}}}}L_{f}}$^{[ 10 ]} (7)

${\displaystyle D_{h}={\frac {4A_{ch}}{P_{ch}}}}$(8)

${\displaystyle Re={\frac {4{\dot {G}}\rho }{n\pi D_{h}\mu }}}$(9)

${\displaystyle f=(0.79\ln Re-1.64)^{-2}}$^{[ 27 ]} (10)

${\displaystyle Nu={\frac {(f/8)(Re-1000)Pr}{1+12.7(f/8)^{0.5}(Pr^{\frac {2}{3}}-1)}}}$^{[ 27 ]} (11)

${\displaystyle h_{f}={\frac {Nuk_{air}}{D_{h}}}}$(12)

${\displaystyle \rho ={\frac {P_{atm}}{R_{a}T_{in}}}}$(13)

يمكن تحديد معدل التدفق من خلال نقطة تقاطع منحنى نظام المشتت الحراري مع منحنى المروحة. ويمكن حساب منحنى نظام المشتت الحراري من خلال مقاومة التدفق في القنوات وفقدان الحرارة عند المدخل والمخرج، كما هو موضح في كتب ميكانيكا الموائع القياسية ، مثل كتاب بوتر وآخرون ^{[ 28 ]} وكتاب وايت ^{[ 29 ] .}

بمجرد معرفة مقاومة قاعدة المشتت الحراري وزعانفه، يمكن حساب المقاومة الحرارية للمشتت الحراري.${\displaystyle R_{hs}}$يمكن حسابها على النحو التالي:

${\displaystyle R_{hs}=R_{b}+R_{f}}$(14).

باستخدام المعادلات من 5 إلى 13 والبيانات البُعدية الواردة في المرجع ^{[ 25 ]} ، حُسبت المقاومة الحرارية للزعانف عند معدلات تدفق هواء مختلفة. يوضح الرسم البياني بيانات المقاومة الحرارية ومعامل انتقال الحرارة، حيث يُبين أن المقاومة الحرارية للمشتت الحراري تتناقص مع ازدياد معدل تدفق الهواء.

تُعدّ الاختبارات التجريبية من أكثر الطرق شيوعًا لتحديد الأداء الحراري للمشتت الحراري. ولتحديد المقاومة الحرارية للمشتت، يلزم معرفة معدل التدفق، والطاقة المُدخلة، ودرجة حرارة الهواء الداخل، ودرجة حرارة قاعدة المشتت. وعادةً ما تُقدّم بيانات من قِبل المُورّد لنتائج الاختبارات المُوجّهة. ^{[ 30 ]} مع ذلك، تكون هذه النتائج مُتفائلة وقد تُعطي بيانات مُضلّلة عند استخدام المشتتات الحرارية في تطبيقات غير مُوجّهة. يُمكن الاطلاع على مزيد من التفاصيل حول طرق اختبار المشتتات الحرارية والأخطاء الشائعة في دراسة آزار وآخرون. ^{[ 30 ]}

في الصناعة، غالبًا ما يتم تجاهل التحليلات الحرارية في عملية التصميم أو إجراؤها في وقت متأخر جدًا  ،  عندما تكون التغييرات التصميمية محدودة ومكلفة للغاية. ^{[ 9 ]} من بين الطرق الثلاث المذكورة في هذه المقالة، يمكن استخدام الطرق النظرية والرقمية لتقدير درجات حرارة المشتت الحراري أو مكونات المنتجات قبل إنشاء نموذج مادي. يُستخدم النموذج النظري عادةً كتقدير أولي. يمكن لحاسبات المشتت الحراري عبر الإنترنت ^{[ 31 ]} توفير تقدير معقول لأداء المشتت الحراري بالحمل القسري والطبيعي بناءً على مزيج من العلاقات النظرية والمستمدة تجريبيًا. توفر الطرق الرقمية أو ديناميكيات الموائع الحسابية (CFD) تنبؤًا نوعيًا (وأحيانًا كميًا) لتدفقات الموائع. ^{[ 32 ] [ 33 ]} وهذا يعني أنه سيعطي نتيجة مرئية أو معالجة لاحقة للمحاكاة، مثل الصور في الشكلين 16 و17، ورسوم CFD المتحركة في الشكلين 18 و19، ولكن الدقة الكمية أو المطلقة للنتيجة حساسة لإدراج ودقة المعلمات المناسبة.

يمكن لتقنية ديناميكا الموائع الحسابية (CFD) أن توفر فهمًا أعمق لأنماط التدفق التي يصعب أو يستحيل دراستها باستخدام الطرق التجريبية، أو تكون مكلفة للغاية. ^{[ 32 ]} تُتيح التجارب وصفًا كميًا لظواهر التدفق باستخدام قياسات لكمية واحدة في كل مرة، عند عدد محدود من النقاط والأوقات. في حال عدم توفر نموذج بالحجم الكامل أو عدم جدواه، يمكن استخدام نماذج مصغرة أو نماذج محاكاة. قد تقتصر التجارب على نطاق محدود من المشكلات وظروف التشغيل. أما المحاكاة، فتُتيح التنبؤ بظواهر التدفق باستخدام برامج CFD لجميع الكميات المطلوبة، بدقة عالية مكانيًا وزمنيًا، ولأي مشكلة تقريبًا وفي ظل ظروف تشغيل واقعية. مع ذلك، قد يلزم التحقق من صحة النتائج في الحالات الحرجة. ^{[ 1 ]}