۱- مقدمه

اکثر هیت سینک های استفاده شده در محصولات شرکت ربات‌سازان آنودایز می‌شوند. البته این انتخاب ما یک سلیقه نیست و شواهد حاکی از آن است که آنودایز کردن قطعات از پرکاربردترین فرایندهای مهندسی سطح در خنک کردن قطعات الکترونیک است. همین چند وقت پیش بود که بخاطر پافشاری مشتری جهت تحویل زودتر از موعد درایور PMD90 و درنتیجه اصرار مشتری به حذف برخی از مراحل مجبور شدیم از دلایل انجام فرآیند آنودایزینگ برای هیت‌سینک درایورها بگوییم تا مشتری را متقاعد کنیم که آنودایز نکردن هیت سینک می‌تواند عملکرد درایور را کاهش دهد. در ادامه به صورت علمی فرآیند آنودایزینگ را بررسی کرده و تاثیرات آن را بر روی عملکرد انتقال حرارتی هیت سینک بررسی می‌کنیم.

۲- سیستم انتقال حرارت (هیت سینک) در درایورهای موتورهای الکتریکی

شکل ۱: سیستم انتقال حرارت در درایورهای موتورهای الکتریکی

مطابق شکل ۱ حرارت ایجاد شده در پیوند نیمه‌هادی در ماسفت که در اثر عبور جریان و سوئیچینگ ایجاد شده ابتدا از پیوند نیمه‌هادی به بدنه فلزی ماسفت منتقل می‌شود. این حرارت ایجاد شده باید به‌خوبی دفع شود تا مانع از بالا رفتن دمای جانکشن (پیوند نیمه‌هادی) و آسیب و سوختن دائمی ماسفت شود. مطابق شکل ۱ حرارت ابتدا از بدنه فلزی ماسفت به هیت سینک و سپس از طریق هیت‌سینک به هوای اطرف منتقل می‌شود. همچنین در صورت قرار داشتن درایور در داخل تابلو برق فرآیند انتقال حرارت پیچیده‌تر بوده که تمامی مراحل در شکل ۱ نمایش داده شده است. انتقال حرارت از هر بخش به بخش دیگر به یکی از روش‌های زیر انجام می‌شود.

۳- انواع روش‌های انتقال حرارت

قبل از پرداختن به بحث انتقال حرارت در قطعات هیت سینک باید روشن کنیم که انتقال حرارت بر سه نوع است.

اول انتقال حرارت رسانش، هدایتی یا همان کانداکشن (Conduction) پدیده­‌ای که هنگام دست زدن به بدنه گرم شوفاژ اتفاق می‌افتد و حرارت به صورت هدایتی از بدنه شوفاژ‌ به دست ما منتقل می‌شود. مثال دیگر برای کانداکشن، انتقال حرارت اجزای الکترونیکی (ماسفت‌ها) به هیت‌سینک از طریق اتصال مستقیم فیزیکی هست.

دوم انتقال حرارت Convection یا همرفت یا جابجایی یا وزشی که ما از این به بعد آن را، به تبع کتب انتقال حرارت همرفت می‌نامیم. این نوع انتقال حرارت همانی است که فن یا پنکه انجام می‌دهد. مثلا هیت سینک از طریق این مکانیزم، حرارتی که از اجزا جذب کرده را به مولکول‌های هوا منتقل می­کند.

سوم اما Radiation یا تابش است که از طریق امواج منتقل می‌شود. این نوع انتقال حرارت همانی است که زمانی که در مقابل خورشید هستیم حس می‌کنیم و گرمای خورشید از طریق تشعشع به ما منتقل می‌شود. اگر تا به حال تجربه ایستادن در مقابل یک کوره مانند کوره مذاب را داشته‌­اید احتمالا به خوبی این مکانیزم انتقال حرارت را درک می­‌کنید. در هیت سینک هم این نوع انتقال حرارت نقش مهمی دارد و گرمای هیت سینک از طریق تابش به اجزای اطراف و محیط منتقل می‌شود.

در فرآیند خنک شدن هیت‌سینک کانداکشن یا انتقال حرارت هدایتی خیلی مطرح نیست و بیشتر با انتقال حرارت همرفتی سروکار داریم. از طرفی انتقال حرارت تابشی (Radiation) به‌اندازه انتقال حرارت کانوکشن (همرفت یا وزش) اهمیت دارد به‌خصوص زمانی که المان خنک‌کننده‌­ای مانند فن و هوای گذرا وجود ندارد. داستان آنودایزینگ از همینجا شروع می شود! آنودایزینگ هیت سینک تاثیر مستقیم بر روی انتقال حرارت تابشی در آن دارد و بنابراین تعیین کننده عملکرد و طول عمر المان و دستگاه الکترونیکی خواهد بود.

برای درک اهمیت انتقال حرارت تابشی به دو جدول زیر دقت کنید که نقش مکانیزم­های انتقال حرارت در هیت‌سینک را در ۲ حالت خنک کاری اجباری (استفاده از فن) و خنک کاری طبیعی مقایسه می‌کند. جدول شماره ۱ زمانی هست که المان خنک کننده­ مانند فن استفاده شده است و جدول شماره ۲ نتایج حالتی هست که تنها خنک کاری با هوای طبیعی محیط انجام می‌شود (بدون استفاده از خنک کننده‌ی اجباری همانند فن).

جدول ۱: درصد انتقال حرارت تابشی و همرفت در حالت استفاده از فن خنک کننده(خنک کاری اجباری)

جدول ۲: درصد انتقال حرارت تابشی و همرفت بدون استفاده از فن خنک کننده(خنک کاری طبیعی)

در جداول فوق Qsource[W] توانی است که توسط ماسفت‌ها و سایر المان‌های الکترونیکی تولید شده و به هیت سینک منتقل می‌شود. پارامتر Emissivity ضریب گسیلندگی بوده (در بخش بعد مفصل توضیح داده می‌شود) و قدرت ارسال انرژی یک سطح در مقایسه با سطحی که به رنگ سیاه است تعریف می‌شود. در واقع آنودایز کردن باعث افزایش ضریب گسیلندگی و افزایش قابلیت انتقال حرارت از طریق تابشی شده که در بخش بعد توضیح داده خواهد شد.

در جدول ۱ مشاهده می‌شود که با افزایش دمای هیت سینک، درصد توان حرارتی منتقل شده به محیط در هیت‌سینک با مکانیزم تابش افزایش می‌یابد و در دماهای بالا تا بیش از 5 درصد نیز می‌رسد. از طرفی برای نشان دادن اثر ضریب گسیلندگی نیز، در سطر آخر جدول ۱ اعداد حاصل برای انتقال حرارت تابشی با ضریب گسیلندگی 0.07 ارائه شده‌اند که نشان دهنده افت درصد انتقال حرارت تابشی از کل انتقال حرارت با کاهش ضریب گسیلندگی است.

از طرفی در جدول ۲ مشخص است که سهم انتقال حرارت تابشی زمانی که المان خنک کننده‌ای مانند فن وجود ندارد بالاست و تا بیش از 30 درصد نیز می‌رسد. در سطر سوم جدول ۲ در توان ورودی 25 وات که منجر به دمای 141 درجه در هیت‌ سینک شده است، با ضریب گسیلندگی 0.85 درصد انتقال حرارت تابشی 30.3% هست در حالی که در سطر چهارم با میزان توان و دمای تقریبا یکسان، ولی ضریب گسیلندگی 0.09 درصد انتقال حرارت تابشی به 9.8% کاهش می‌یابد.

با مقایسه دو جدول بالا، می‌بینیم که انتقال حرارت تابشی بخصوص در زمانی که قرار است فقط به جریان طبیعی هوا جهت خنک کاری تکیه کنیم تا چه اندازه اهمیت پیدا می‌کند. و از آنجا که انتقال حرارت تابشی از آنودایزینگ تاثیر می‌پذیرید و در اثر آنودایزینگ بهبود پیدا می‌کند بنابراین جهت روشن شدن نقش آنودایز در عملکرد انتقال حرارتی هیت‌سینک در ابتدا نگاهی به این تاثیر خواهیم داشت و سپس فرآیند آنودایزینگ هیت‌ سینک را توضیح داده و انواع آنودیزینگ را بررسی و از نظر می‌گذرانیم.

۴- تاثیر آنودایز بر روی خواص انتقال حرارتی

نوع عملیات سطح استفاده شده در قطعات از دو راه بر روی انتقال حرارت تابشی تاثیر می‌گذارد. اول از طریق افزایش Emissivity (که می‌توان ان را به ضریب نشر، گسیلندگی معنی کرد) یا گسیلندگی که قدرت ارسال انرژی یک سطح در مقایسه با سطحی که به رنگ سیاه است تعریف می‌شود. دومی نیز از طریق افزایش وسعت سطح هست.

بر اساس تعریف هندبوک ASM Metals Handbook- Surface Engineering آنودایزینگ عبارت است از تبدیل پوشش سطحی اکسیدی قطعات آلومینومی و آلیاژهای آن به اکسید متخلخل آلومینیوم. در واقع اسم فرآیند هم از این واقعیت که قطعه آلومینیومی در یک محلول الکترولیت در سمت آنُد قرار می­‌گیرد نشات گرفته است. به زبان ساده­‌تر، آنودایزینگ یک فرآیند الکتروشیمیایی هست که لایه محافظ اکسیدی که به صورت طبیعی بر روی سطح قطعات تشکیل می‌شود را ضخیم­‌تر و سخت­‌تر می‌کند. آنودایز سطح قطعات، ساختار میکروسکوپی سطح فلز را تغییر می‌دهد که در نتیجه آن سطحی با دوام و مقاوم در برابر خوردگی و سایش ایجاد می‌شود.

در فرآیند آنودایزینگ قطعه در سمت الکترود مثبت یا آند یک مدار الکترولیت قرار می‌گیرد. جریان الکتریکی از طریق یک محلول اسیدی الکترولیت در قطب منفی یا کاتد هیدروژن و در قطب مثبت یا آند اکسیژن آزاد می‌کند. این پدیده باعث تجمیع اکسید فلز برروی آند که همان قطعه کار هست شده و لایه اکسیدی مقاوم تشکیل می‌شود. ضخامت لایه اکسیدی محافظ به روش آنودایزینگ بستگی دارد که البته از رنج بین 0.5 تا 115 میکرون فراتر نمی‌رود. بطور کلی ضخامت را می‌توان با استفاده از غلظت الکترولیت، اسیدیته، دمای محلول الکترولیت، جریان و ولتاژ فرآیند کنترل کرد.

معمولا، آنودایز کردن قطعات منجر به تشکیل لایه اکسیده روی قطعات با ضخامت 1.8 تا 25 میکرون می‌شود. البته ناگفته نماند که در برخی از کاربردهای صنعتی که نیاز به مقاومت سایشی بالایی دارند، از فرآیند هارد آنودایزینگ (Hard Anodizing) استفاده می‌شود که ضخامت لایه اکسیده محافظ یا همان آنودایز بالاتری در مقایسه با آنودایزینگ معمولی ایجاد می‌کند.

مزایای محافظتی و زیبایی ظاهری قطعاتی که فرآیند آنودایزینگ برروی آن‌ها انجام می‌شود باعث گسترده شدن استفاده از این فرآیند در بسیاری از صنایع شده است. هر چند در صنعت الکترولیت، علاوه بر بحث زیبایی بیشتر دنبال بهبود خواص انتقال حرارتی قطعه هستیم. آنودایزینگ باعث ایزولاسیون دی‌الکتریک قطعات خنک کننده از محیط الکترونیکی شان می‌شود و گسیلندگی سطح را بطور چشم گیری افزایش می‌دهد.

اما آنودایزینگ چقدر خاصیت انتقال حرارتی را بهبود می‌دهد؟ آیا می‌شود با عدد و رقم این میزان بهبود را بیان کرد؟ برای پاسخ به این سوال باید از رابطه استفان بولتزمن (Stephen-Boltzmann) کمک بگیریم. در این رابطه ضریب گسیلندگی ظاهر می‌شود و تاثیر خود را برروی میزان انتقال حرارت تابشی نشان می دهد( پارامتر F در رابطه زیر). در واقع رابطه زیر فرمول انتقال حرارت به صورت تابشی از یک شی می‌باشد.

بله حالا اگر بدانیم ضریب گسیلندگی چقدر اضافه می‌شود می‌توانیم با محاسبه بگوییم که انتقال حرارت تابشی قطعه الکترونیکی در اثر آنودایزینگ چقدر بهبود پیدا می‌کند. طبق اندازه گیری‌های تجربی مقالات رفرنس این مقاله، آنودایزینگ ضریب گسیلندگی را تا حدود 0.83 الی 0.86 افزایش می‌دهد. حالا این عدد را اگر مقایسه کنیم با ضریب گسیلندگی قطعات بدون آنودایز، مثلا آلومینیوم که در هیت‌ سینک‌ ها استفاده می‌شود، جالب خواهد بود. آلومینیوم معمولی ضریبی در حدود 0.04 تا 0.06 دارد! که در مقایسه با 0.83 آلومینیوم آنودایز شده و نیم نگاهی به فرمول استفان بولتزمن مشخص است که چقدر انتقال حرارت تابشی را می‌توان در اثر آنودایزینگ بهبود داد.

به عنوان آخرین نکته این بخش، خوب است توجه داشته باشیم که رنگ آنودایزینگ هیچ تاثیری در قابلیت انتقال حرارتی قطعه ندارد. گاها با هدف زیبایی رنگ‌های مختلفی در فرآیند آنودایزینگ مورد استفاده قرار می‌گیرد که فقط جنبه ظاهری دارد. یک سطح آنودایز شده شفاف ضریب گسیلندگی دقیقا یکسانی با یک سطح آنودایز شده تیره و یا مشکی دارد.

۵- فرآیند آنودایزینگ هیت سینک و روش‌های مختلف آن

فرآیند آنودایزینگ ۵ مرحله دارد. تمیزکاری، آماده‌سازی، آنودایزینگ، رنگ‌آمیزی و آب‌بندی. در مرحله تمیزکاری با الکالاین و تمیزکننده‌های اسیدی هرگونه آلودگی و چربی‌های روی قطعات شستشو داده می‌شوند. بعد، سطوح آنودایزینگ با استفاده از سدیم هیدرواکسید اچ حکاکی شیمیایی می‌شوند تا نواقص سطح برطرف شود. حکاکی شیمایی یا اچ کردن در واقع همان لایه برداری است. بهترین مثال برای ان لایه برداری پوست توسط داروهای آرایشی بهداشتی هست که جهت شفاف سازی و رفع چاله چوله‌های صورت استفاده می‌شود. سپس سطوح با استفاده از اسیدهای فسفریک و نیتریک بصورت شیمیایی کاملا پرداخت می‌شوند و نزدیک به حالت آینه‌ای در می‌آیند. در این مرحله سطح آماده آنودایز شدن هست. قطعات را در حمام محلول الکتروشیمیایی غرق کرده تا فرآیند آنودایزینگ آغاز شود. از این مرحله به بعد تنها موضوع کنترل ضخامت لایه اکسیده و کیفیت و رنگ آن است که توسط پارامترهای فرآیند که در فوق شرح داده شد، کنترل می‌شوند.

رنگ‌دهی به سطح آنودایز شده با روش‌های مختلفی قابل انجام است. یکی از بهترین روش‌ها که کیفیت رنگ بالایی می‌دهد، استفاده از رنگ‌دهی الکترولیتیک دومرحله‌ای است. در این روش قطعات در حمام محلول نمک فلزی غیراورگانیک غرق و سپس جریان الکتریکی از محلول نمک عبور داده می شود. عبور جریان باعث نشست نمک در حفره­های میکروسکوپی سطح می‌شود. می‌توان فلزات مورد استفاده در حمام نمک کبالت، نیکل، مس و یا حلبی استفاده کرد که البته هر کدام از این‌ها رنگ متفاوتی ایجاد می‌کند.

با وجود اینکه اصل داستان آنودایزینگ یکسان هست، اما فرآیندهای متفاوتی وجود دارند که بر حسب نوع اسید الکترولیت مورد استفاده متفاوت هستند. یکی از الکترولیت‌های مورد استفاده اسید کرومیک یا آنودایزینگ نوع ۱ هست. رنگ حاصل شده در این نوع آنودایزینگ بسته به نوع آلیاژ از شفاف به تیره قابل تغییر هست. مثلا آلیاژهای مس رنگ‌های خاکستری ایجاد می‌کنند. ضخامت لایه اکسیده محافظ حاصل سطح برای این نوع آنودایزینگ از 0.5 تا 7.6 میکرون متغییر است. در آنودایز نوع ۲، که از اسید سولفوریک بعنوان محلول الکترولیت استفاده می‌شود ضخامت لایه اکسیده بیشتری بدست می‌آید که از 1.8 تا 25.4 میکرون متغییر است.

بدلیل بالا بودن ضخامت پوشش در این آنودایز نوع ۲، رنگ های ارگانیک به راحتی با استفاده از روش رنگ دهی الکترولیتی دو مرحله ای قابل استفاده هستند. آنودایز نوع سوم نیز همان هارد آنودایز Hard Coat هست که قبلا در پاراگراف‌های قبل در مورد آن صحبت کردیم. این نوع آنودایز اغلب جایی که محیط کاری شرایط به غایت سختی به لحاظ سایش، خوردگی و سایر شرایط آسیب رسان به قطعه دارد مورد استفاده است. در جدول ۳ ضخامت لایه محافظ اکسیدی حاصل از آنودایزینگ را در هر سه نوع از فرآیند تشریح کرده‌ایم.

جدول ۳: انواع روش‌های آنودایز، فرآیند مورد استفاده و ضخامت لحاظ شده

۶- نتیجه‌گیری

فرآیند انتقال حرارت به سه صورت هدایتی، همرفت و تابشی صورت می‌پذیرد. در هیت‌ سینک که وظیفه جذب حرارت از ماسفت‌ها و انتقال آن به محیط را بر عهده دارد بخش عمده‌ای از حرارت جذب شده به صورت همرفت و تابشی به محیط اطرف منتقل می‌شود. نکته بسیار مهم افزایش درصد میزان انتقال حرارت به محیط از طریق تابشی در شرایطی است که استفاده از خنک کاری اجباری (استفاده از فن) میسر نمی‌باشد. تحت این شرایط با آنودایز کردن هیت‌سینک و افزایش ضریب گسیلندگی می‌توان انتقال حرارت تابشی را افزایش داده و در نتیجه آن، عملکرد هیت سینک را بهبود بخشید. همچنین آنودایز کردن هیت‌ سینک باعث افزاش دوام و مقاومت هیت‌سینک در مقابل خوردگی و سایش می‌شود.