Disipación del calor del aluminio | Conductividad térmica
1. Conductividad térmica del aluminio
El aluminio es el material preferido para la disipación de calor en los sistemas modernos de gestión térmica, gracias a su equilibrio único entre conductividad térmica, ligereza y rentabilidad. Con una conductividad térmica que oscila entre 160 y 220 W/(m-K) (dependiendo de la composición de la aleación), el aluminio transfiere el calor de forma eficaz, es tres veces más ligero que el cobre y mucho más asequible.
Comparación del rendimiento térmico: Disipadores de aluminio frente a los de cobre
| Métrica | Disipador de calor de aluminio | Disipador térmico de cobre | Disipador de calor de acero |
|---|---|---|---|
| Conductividad térmica | 160-220 W/(m-K) <br>(Al puro: ~237) | ~398 W/(m-K) | ~50-80 W/(m-K) |
| Capacidad calorífica específica | 0,9 J/g-K (respuesta térmica rápida) | 0,385 J/g-K (respuesta más lenta) | ~0,45 J/g-K (respuesta moderada) |
| Emisividad de la superficie | 0,1 (pulido) → 0,8-0,9 (anodizado negro) | 0,03-0,1 (natural) | ~0,1-0,3 (depende del acabado de la superficie) |
| Resistencia térmica de contacto | 0,1-0,5 K-cm²/W (con TIM) | <0,1 K-cm²/W (menor resistencia) | ~0,5-1,0 K-cm²/W (mayor resistencia) |
| Densidad | 2,7 g/cm³ (ligero) | 8,96 g/cm³ (pesado) | 7,87 g/cm³ (peso moderado) |
| Coste | Bajo (rentable para la producción en masa) | Alto (3-5× más caro que el Al) | Muy bajo (opción más barata) |
2. Grados de aleación de aluminio Disipación de calor por impacto
Al diseñar un disipador térmico de aluminioLa selección de la aleación adecuada es fundamental para equilibrar el rendimiento térmico, la resistencia mecánica y la facilidad de fabricación. Aunque el aluminio puro ofrece la mayor conductividad térmica, la mayoría de las aplicaciones industriales utilizan aluminio aleado para mejorar la durabilidad y la facilidad de producción.
2.1 Aluminio puro (serie 1xxx) - Mejor conductividad, menor resistencia
Aleaciones clave: 1050, 1060, 1100
| Propiedad | Valor | Impacto en la disipación del calor |
|---|---|---|
| Conductividad térmica | ~200-237 W/(m-K) | El más alto posible para Al, ideal para transferencia térmica. |
| Resistencia a la tracción | 70-110 MPa | Demasiado débil para aplicaciones estructurales. |
| Uso típico | Disipadores de aleta fina, refrigeración de LED. |
Pros:
✔ El mejor rendimiento térmico entre las aleaciones de aluminio.
✔ Fácil de extruir en formas de aleta complejas.
Contras:
✖ Baja resistencia mecánica - propensos a doblarse bajo tensión.
✖ Rara vez se utiliza en entornos de alta vibración (por ejemplo, automoción).
2.2 Serie 6xxx (6061, 6063) - El estándar del sector
Aleaciones más comunes: 6061-T6, 6063-T5
| Propiedad | 6063-T5 | 6061-T6 | Impacto en los disipadores de calor |
|---|---|---|---|
| Conductividad térmica | ~200 W/(m-K) | ~170 W/(m-K) | Ligeramente inferior al Al puro, pero aun así eficiente. |
| Resistencia a la tracción | 186 MPa | 310 MPa | Suficientemente resistente para la mayoría de las aplicaciones. |
| Extrudabilidad | Excelente | Bien | El 6063 es más fácil de moldear en aletas finas. |
¿Por qué domina la serie 6xxx?
✔ Propiedades térmicas y mecánicas equilibradas - ideal para disipadores de calor de electrónica, automoción e industria.
✔ 6063-T5 es el aleación go-to para disipadores térmicos extruidos (común en los refrigeradores de CPU).
✔ 6061-T6 es más fuerte, se utiliza en entornos de alto estrés (por ejemplo, convertidores de potencia).
A cambio:
✖ ~10-20% menor conductividad que el aluminio puro.
2.3 Serie 5xxx (5052, 5083) - Resistente a la corrosión pero de baja conductividad
Aleaciones clave: 5052, 5083
| Propiedad | Valor | Impacto en la disipación del calor |
|---|---|---|
| Conductividad térmica | ~120-140 W/(m-K) | Significativamente peor que la serie 6xxx. |
| Resistencia a la tracción | 210-290 MPa | Más resistente que el 6063 pero más difícil de extrudir. |
| Resistencia a la corrosión | Excelente | Adecuado para entornos marinos y de alta humedad. |
¿Cuándo utilizarlo?
✔ Entornos exteriores o corrosivos (por ejemplo, electrónica marina).
✔ Componentes estructurales que necesitan refrigeración moderada.
Evitar si:
✖ El rendimiento térmico es fundamental (la conductividad es ~40% inferior a la del 6063).
2.4 Series 2xxx & 7xxx (2024, 7075) - Alta Resistencia, Peor Conductividad
Aleaciones principales: 2024-T6, 7075-T6
| Propiedad | Valor | Impacto en los disipadores de calor |
|---|---|---|
| Conductividad térmica | ~120-150 W/(m-K) | Mala disipación del calor. |
| Resistencia a la tracción | 400-570 MPa | Se utiliza en el sector aeroespacial y de defensa. |
| Maquinabilidad | Excelente | Difícil de extrudir; a menudo mecanizado por CNC. |
¿Por qué evitar los disipadores de calor?
✖ Muy baja conductividad térmica (~50% de 6063).
✖ Caro y excesivo a menos que se necesite una fuerza extrema.
Excepción:
✔ Disipadores de calor aeroespaciales donde el peso y la resistencia importan más que la eficiencia de la refrigeración.
2.5 Aleaciones especializadas (Al-SiC, Al-Grafito) - Alto rendimiento, alto coste
Ejemplo: Al-SiC (carburo de silicio reforzado)
| Propiedad | Valor | Impacto en la disipación del calor |
|---|---|---|
| Conductividad térmica | 250-300 W/(m-K) | Mejor que el aluminio puro. |
| CTE (Coeficiente de expansión térmica) | Compatible con semiconductores (por ejemplo, Si, GaAs). | Reduce el estrés térmico en la electrónica de alta potencia. |
| Coste | 5-10× aleaciones de Al estándar. | Sólo se justifica en aplicaciones nicho. |
Lo mejor para:
✔ Diodos láser de alta potencia, amplificadores de RF, electrónica aeroespacial.
✔ Cuando la adecuación del CTE es fundamental (por ejemplo, módulos de potencia).
Inconveniente:
✖ Extremadamente caro - no es viable para los productos de consumo.
Resumen: Cómo elegir la aleación adecuada para su disipador de calor
| Serie Alloy | Lo mejor para | Conductividad térmica | Fuerza | Coste |
|---|---|---|---|---|
| 1xxx (Al puro) | Disipadores de aleta fina, LED | ★★★★★ (~237 W/(m-K)) | ★★☆☆☆ | $ |
| 6xxx (6063, 6061) | Electrónica, automoción | ★★★★☆ (~200 W/(m-K)) | ★★★★☆ | $$ |
| 5xxx (5052, 5083) | Uso marino/exterior | ★★☆☆☆ (~130 W/(m-K)) | ★★★☆☆ | $$ |
| 2xxx/7xxx (2024, 7075) | Aeroespacial/defensa | ★★☆☆☆ (~140 W/(m-K)) | ★★★★★ | $$$$ |
| Compuestos de Al-SiC | RF de alta potencia, láseres | ★★★★★ (~300 W/(m-K)) | ★★★★☆ | $$$$$ |
3. Impacto de la estructura en el enfriamiento del aluminio
Aunque la selección del material es fundamental, el diseño estructural de un disipador de calor desempeña un papel igualmente importante en la eficiencia de la disipación térmica. Incluso la mejor aleación de aluminio tendrá un rendimiento inferior si la geometría y la dinámica del flujo de aire no están bien optimizadas.
3.1 Geometría de las aletas: El corazón de la disipación de calor
Las aletas son responsables de maximizar la superficie para transferir calor al aire circundante. Los parámetros clave incluyen:
(1) Altura de las aletas (H) y separación (P)
| Parámetro | Alcance óptimo | Demasiado bajo | Demasiado alto |
|---|---|---|---|
| Altura (H) | 5-50 mm (convección natural)<br>10-100 mm (aire forzado) | Superficie reducida | Bloqueo del flujo de aire (convección natural) |
| Distancia (P) | 3-15 mm (depende del flujo de aire) | Resistencia al flujo de aire | Área de transferencia de calor reducida |
Consejo de diseño:
- Para convección naturalUtilice aletas más altas (20-50 mm) con mayor separación (5-15 mm)para permitir que suba el aire caliente.
- Para refrigeración por aire forzado, aletas más cortas (10-30 mm) con espaciado más estrecho (3-8 mm)mejorar las turbulencias.
(2) Forma de las aletas y textura de la superficie
| Tipo de aleta | Ventaja | El mejor caso de uso |
|---|---|---|
| Aletas rectas | Fácil de fabricar | Electrónica de bajo coste |
| Aletas | 20-30% más superficie | Espacios compactos (por ejemplo, refrigeradores de GPU) |
| Aletas Wave/Offset | Interrumpe el flujo laminar → mejora la turbulencia. | Aire forzado de alta velocidad (servidores, telecomunicaciones) |
| Texturado/arenado | +10-15% eficacia de convección | Refrigeración pasiva (sin ventilador) |
3.2 Diseño de la placa base: El puente térmico
La placa base transfiere el calor de la fuente (por ejemplo, la CPU) a las aletas. Consideraciones clave:
| Parámetro | Valor óptimo | Impacto en el rendimiento |
|---|---|---|
| Espesor | 3-10 mm | Demasiado fino → congestión por calor<br>Demasiado grueso → peso innecesario |
| Planitud | ≤0,05 mm/m | La escasa planitud aumenta la resistencia térmica |
| Material | Base de cobre + aletas de Al (híbrido) | Mejor para chips de alta potencia (por ejemplo, CPU) |
Nota crítica:
- A Base de aluminio de 6 mm de grosor es estándar para la mayoría de los aparatos electrónicos.
- Para Cargas térmicas >100 W, a núcleo de cobre o cámara de vapor se recomienda.
3.3 Tubos de calor y cámaras de vapor: Aumentar la eficiencia
Cuando la conductividad lateral del aluminio es insuficiente, tecnologías de cambio de fase ayudan a repartir el calor uniformemente.
| Tecnología | Cómo funciona | Lo mejor para |
|---|---|---|
| Tubos de calor | Evapora/condensa fluido para transferir calor | Portátiles, refrigeradores de CPU |
| Vapor Chambers | Flat, two-dimensional heat spreader | High-power GPUs, LEDs |
Performance Gain:
- Heat pipes can reduce thermal resistance by 40–60% vs. pure aluminum.
- Vapor chambers are ideal for >150W/cm² hotspots.
4. Surface Treatment Effects on Aluminum Cooling
While material selection and structural design are critical for heat sink performance, surface treatments play a vital role in enhancing heat dissipation efficiency, corrosion resistance, and long-term reliability. Different treatments can improve thermal radiation, convection, and even interfacial heat transfer.
4.1 Anodizing: The Gold Standard for Aluminum Heat Sinks
Anodizado creates a controlled oxide layer on aluminum, improving durability and thermal emissivity.
Types of Anodizing & Their Impact
| Type | Espesor | Emissivity (ε) | Thermal Conductivity Impact | El mejor caso de uso |
|---|---|---|---|---|
| Clear Anodizing | 5–25 µm | 0.1–0.2 (low) | Slight reduction (~5–10%) | General-purpose heat sinks |
| Black Anodizing | 10–25 µm | 0.8–0.9 (high) | Moderate reduction (~10–15%) | Passive cooling, radiative heat transfer |
| Anodizado duro | 25–100 µm | 0.3–0.5 | Significant reduction (~20–30%) | High-wear industrial applications |
Key Benefits:
✔ Corrosion resistance – Protects against oxidation and chemical exposure.
✔ Improved emissivity (black anodizing) – Boosts radiative cooling by 8–10× vs. bare aluminum.
✔ Electrical insulation – Prevents short circuits in electronics.
Trade-offs:
✖ Reduced thermal conductivity – The oxide layer is less conductive than pure aluminum.
✖ Thicker coatings increase thermal resistance – Keep anodizing <15 µm for optimal heat transfer.
4.2 Chemical Conversion Coatings (Chromate/Phosphate)
These thin coatings enhance corrosion resistance without significantly affecting thermal performance.
| Coating Type | Espesor | Effect on Heat Transfer | El mejor caso de uso |
|---|---|---|---|
| Chromate Conversion | 0.5–2 µm | Negligible impact | Military, aerospace (where toxicity is acceptable) |
| Phosphate Coating | 1–5 µm | Slight reduction (~3–5%) | Automotive, industrial heat sinks |
Ventajas:
✔ Very thin – Minimal impact on thermal resistance.
✔ Improves paint/adhesive bonding – Useful for coated heat sinks.
Disadvantages:
✖ Limited emissivity improvement – Not as effective as anodizing for radiative cooling.
4.3 Powder Coating & Paint: Aesthetic but Thermally Restrictive
Recubrimiento en polvo provides color and protection but can hinder heat dissipation.
| Parámetro | Typical Impact | Recommendation |
|---|---|---|
| Espesor | 30–100 µm | Avoid on high-power heat sinks |
| Emissivity | 0.4–0.8 (depends on color) | Black paint helps slightly |
| Thermal Resistance | High (20–50% reduction in cooling) | Use only on low-power or decorative heat sinks |
¿Cuándo utilizarlo?
- Consumer electronics where appearance matters.
- Low-power applications (e.g., LED housings).
Evitar si:
- High thermal performance is needed – The coating acts as an insulator.
4.4 Mechanical Texturing (Sandblasting, Brushing)
Altering surface roughness can improve convection efficiency.
| Treatment | Surface Roughness (Ra) | Effect on Cooling |
|---|---|---|
| Chorro de arena | 3–10 µm | +10-15% eficacia de convección |
| Cepillado | 1–5 µm | +5–10% convection efficiency |
Pros:
✔ No added thermal resistance – Only modifies surface texture.
✔ Cost-effective – No chemical processes required.
Contras:
✖ No improvement in radiative cooling – Only aids convection.
Lo mejor para:
- Forced-air cooling systems (e.g., server heat sinks).
- Industrial heat exchangers.
4.5 Plating (Nickel, Silver, Gold) – Niche but Effective
Electroplating can enhance conductivity or corrosion resistance.
| Plating Type | Conductividad térmica | El mejor caso de uso | Drawback |
|---|---|---|---|
| Nickel Plating | ~90 W/(m·K) | Corrosion protection | Adds ~0.2 K·cm²/W thermal resistance |
| Silver Plating | ~429 W/(m·K) | Ultra-high-performance cooling | Expensive, tarnishes over time |
| Gold Plating | ~318 W/(m·K) | RF/space applications (oxidation-proof) | Extremely costly |
When to Consider?
- Silver plating for extreme thermal performance (e.g., superconductors).
- Nickel plating for humid/marine environments.
Summary: Choosing the Right Surface Treatment
| Treatment | Lo mejor para | Thermal Impact | Coste |
|---|---|---|---|
| Black Anodizing | Passive cooling, high emissivity | ★★★★☆ (optimal radiation) | $$ |
| Clear Anodizing | General corrosion protection | ★★★☆☆ (minimal impact) | $ |
| Chorro de arena | Forced convection improvement | ★★★★☆ (better airflow) | $ |
| Nickel Plating | Uso marino/exterior | ★★☆☆☆ (adds resistance) | $$$ |
| Recubrimiento en polvo | Aesthetic applications | ★☆☆☆☆ (insulating) | $$ |
