Elektronik teknolojisinin hızla gelişmesiyle birlikte, elektronik cihazlar günlük hayatımızda önemli bir yer almıştır. Bu cihazlardan maksimum verimi alabilmek için bileşenlerinde oluşan sıcaklık değerlerini optimum düzeyde tutmak gerekir. Elektronik bileşenlerin çalışma sıcaklığı istenen sıcaklık seviyesini aşabilir. Bu nedenle, ısı transfer hızını arttırmak ve bileşen sıcaklığını istenen çalışma seviyesinde tutmak, elektronik bileşenlerin güvenilir bir şekilde çalışmasını sağlamada önemli bir rol oynar.

Elektronik sistemleri soğutmada çeşitli yöntemler vardır. Bu yöntemlerden birisi sıvı soğutma sistemleridir. Sıvı soğutma sistemleri mikrofin, akış odası, pompa, radyatör, fan ve sıvı aktarma hortumları olmak üzere toplamda 6 temel bileşenden oluşmaktadır. Bu yazımızda bu bileşenlerden biri olan mikrofini detaylı bir şekilde inceleyeceğiz.

Mikrofinler sıvı soğutma sistemlerinde ısı kaynağı (CPU, MOSFET vb) ile temas halinde olan, oluşan ısıyı emen bakır veya alüminyum malzemeden üretilen yapılardır. Mikrofinler ısı kaynağında oluşan ısıyı iletim ve zorlanmış taşınım ısı transferi mekanizmalarıyla ekipmanlardan uzaklaştırarak ekipmanların çalışma ömrünün ve performansının artmasını sağlar. Endüstride yaygın olarak bakır ve alüminyum malzemelerden üretilen mikrofinler kullanılmaktadır. Uygulama alanlarına göre bu malzemelerden üretilen mikrofinler birbirine göre farklı avantaj sağlamaktadır.

Alüminyumun yoğunluğu bakıra göre düşük olduğu için hafiftir ve nispeten diğer metallere göre iyi termal iletkenliğe sahiptir. Alüminyum mikrofinler, fotovoltaik endüstrisinde, elektrikli araçlarda, invertörlerde, led ışıklarda, iletişim ürünlerinde ve benzeri alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır.

Bakır, alüminyumdan daha iyi ısıl iletkenliğine sahiptir. Dezavantajı ise ağırlık ve maliyettir. Bakır ısı iletkenliğinin öneminin, ağırlık tasarrufundan daha ağır bastığı yerlerde, genellikle işlemcilerde, yüksek özellikli çiplerde ve sunucularda (server) kullanılır

Aşağıda endüstride kullanılan bazı malzemelerin 15°C - 25°C sıcaklıklarındaki ısıl iletkenlik katsayıları verilmiştir.
• Bakır: 385 W/mK
• Demir: 55 W/mK
• Kalay: 50W/mK
• Çelik: 36 W/mK
• Cam: 0.8W/mK
• Alüminyum: 80 ila 100 W/mK
• Termoplastik malzemeler: 3 ila 25 W/mK

Mikrofin tasarımında termal iletkenlik önemli bir faktördür. Finler arası mesafe (fin sayısı), taban plaka kalınlığı, fin yüksekliği, fin kalınlığı gibi parametreler mikrofin tasarımı yapılırken dikkat edilmesi gereken hususlardır.

Yapılan deneysel çalışmalara göre taban plaka kalınlığı arttıkça mikrofinin ısıyı emme kabiliyeti konusunda daha verimli sonuçlar verdiği gözlemlenmiştir. Kasa içerisinde işlemcinin olduğu bölgedeki montaj alanını göz önüne aldığımızda bu kalınlığın belli bir sınırı olmalıdır.

Fin sayısının artmasıyla finler arası mesafe azalmaktadır. Mesafe azaldıkça basınç düşüşü artar bu da fan tarafından sağlanan hacimsel debiyi azaltır. Fanlar yüksek basınç düşüşüne daha az hava debisi sağlar. Düşük akış hızı, termal dirence daha yüksek bir hava sıcaklığı artışı anlamına gelir.

Fin yüksekliği arttıkça fin sayısının soğutma kapasitesine olan etkisi azalmaktadır. Daha fazla fin ekleyerek finler arası mesafeyi dar hale getirmek, uzun bir fin alanı için kısa olandan daha az basınç düşüşü sağlar.

Mikrofin üzerindeki akış ve sıcaklık dağılımı, tasarım açısından kritik öneme sahiptir. Mikrofinden maksimum verim elde etmek için akışın tüm finler üzerinden düzgün bir şekilde yayılması gereklidir.

Mikrofin tek prosesli veya çok prosesli olmak üzere 2 şekilde üretilebilir. Ancak çoklu üretim proseslerinde, finler sonradan yapıştırma yöntemi ile eklenmektedir. Birleştirme için kullanılan yapıştırıcı madde ek bir termal direnç oluşturacağı için ısı transferi üzerinde olumsuz etkilere sebep olur. Bu olumsuz etkiyi ortadan kaldırmak için mikrofini tek proseste üretmek ısı iletimi konusunda daha etkili sonuçlar verecektir. Bu şekilde bir üretim yapabilmek için 4 farklı yöntem vardır. Bunlar;

Döküm, karmaşık şekilleri yüksek hacimlerde ve düşük maliyetle üretme yöntemidir. İlk takım maliyeti yüksektir, ancak üretim çalışması sırasında parça maliyeti nispeten düşüktür. Dezavantajı ise erimiş alüminyum alaşımı kalıp setinde soğurken, boşluklar oluşturur ve gözenekli bir yapı oluşturur. Gözenekli yapı parçayı zayıflatır ve soğutucuya termal direnç ekler.

Ekstrüzyon yöntemi ile üretilmiş alüminyum alaşımlı mikrofinler, doğrusal şekiller üretmenin en uygun maliyetli yoludur. Bu yöntemde takım maliyeti düşüktür, dezavantajı ise tasarımı sınırlamasıdır. Ekstrüzyon sırasında alaşım, erime noktasının altında ısıtılır ve şekillendirme kalıbı aracılığıyla zorla beslenir. Ancak tane yapısı eşit olarak kontrol edilemez ve soğutucunun şekli tamamen optimize edilemez, bu nedenle termal performansı bir miktar düşürür.

Bu üretim şekli yüksek CNC işleme maliyetlerinden dolayı ekonomik olarak sadece prototipleme için uygundur.

Sıyırma (skiving) mikrofin üretmek için kullanılan en son ve güncel teknoloji olarak bilinir. Bu yöntem ile üretilen mikrofinler, tabanın üst kısmının hassas bir şekilde dilimlenmesi, tabana dik olduğu yere geri katlanması ve kanatçıklar oluşturmak için düzenli aralıklarla tekrarlanmasıyla üretilir.
Sıyırma yöntemi ile üretilen mikrofinler, ekstrüzyon metodolojileri kullanılarak üretilebilir olanlardan daha yüksek kanat yoğunluklarına izin verdiği için yüksek düzeyde optimize edilmiş soğutma sunar. Yapıştırılmış veya lehimli kanatlı mikrofinler gibi ısı akışını kısıtlayan bir arayüz bağlantısına sahip değildir.

Bu yöntemle üretilen mikrofinler tek parça malzemeden yapılır ve taban ile kanatlar arasında bağlantı olmadığı için daha düşük termal direnç sunar. Bu nedenle, sıyırma ile üretilen mikrofin verimliliği, geleneksel yöntemlerle üretilenden iki kat daha yüksektir.

Ekstrüzyon alüminyum ile karşılaştırıldığında, sıyırma yöntemi ile mikrofin imalatı, daha fazla tasarım esnekliği ve daha hızlı prototipleme sağlar. Her bir kanatçık aynı takım kullanılarak ayrı ayrı kesilir ve bu da daha düşük takım maliyeti sağlar.