هیت سینک (heatsink) چیست؟

هیت سینک چیست؟ هیت سینک (Heat Sink) یک قطعه فلزی برای انتقال و دفع گرمای تولیدشده توسط قطعات الکترونیکی مانند CPU، کارت گرافیک، تراشه‌ها و تجهیزات سرور است. این قطعه با افزایش سطح تماس با هوا، گرما را از منبع حرارتی جذب کرده و به محیط منتقل می‌کند. استفاده از هیت سینک باعث جلوگیری از افزایش بیش از حد دما، کاهش آسیب قطعات و افزایش پایداری سیستم می‌شود.

این قطعه به‌قدری کاربرد گسترده ای در صنایع مختلف دارد که حتی کسانی که به‌ طور کامل با فناوری آن و قطعات سخت‌افزاری آشنا نیستند، نیز آن را دیده و می‌شناسند. در این مطلب قصد داریم علاوه بر معرفی هیت سینک و انواع آن در مورد کاربرد و نحوه‌ی نصب هیت سینک نکات مهم و خواندنی را در اختیارتان بگذاریم.

⏲ مدت زمان تخمینی مطالعه: 17 دقیقه

هیت سینک چیست؟

هیت سینک (heatsink) یک وسیله الکترونیکی است که از مواد رسانای حرارتی مقاوم و خوب ساخته می‌شود تا به دستگاه‌های الکترونیکی متصل شود و گرمای ایجاد شده در آن‌ها را دفع کند.

خنک کردن اجزای مدار قطعات الکترونیکی از طریق دفع گرمای اضافی باعث جلوگیری از داغ شدن بیش از حد، خرابی زودرس و افزایش عملکرد قطعات می‌شود.

معرفی محصول: هیت سینک سرور HP DL380 G10 

عملکرد هیت سینک بر اساس قانون هدایت حرارتی فوریه (Fourier’s law of heat) است. بر اساس این قانون هر زمان که یک شیب دما در یک جسم وجود داشته باشد، گرما از بخش‌ها‌یی که دمای بالاتر دارند به مناطق پایین‌تر منتقل می‌شود. این انتقال گرما به سه روش تشعشع، قراردادی یا رسانایی انجام می‌شود.

هرگاه دو جسم در دماهای مختلف با همدیگر در تماس باشند رسانش حرارتی رخ می‌دهد. این شامل برخورد بین مولکول‌های سریع جسم داغ‌تر با مولکول‌های آهسته جسم سردتر است. این حرکت منجر به انتقال انرژی از جسم داغ به جسم سردتر می‌شود. بنابراین هیت سینک، گرما را از یک قطعه با دمای بالا مانند یک ترانزیستور به محیط با دمای پایین‌تر از طریق رسانش و سپس همرفت منتقل می‌کند.

“هیت سینک” به‌خودی خود فعالیت ندارد، بدین‌معنا که هیچ قسمت متحرکی ندارد. با این‌حال در بیشتر موارد heatsink با یک فن ترکیب می‌شود تا هوای گرم را از قطعات سخت‌افزاری دور نگه دارد و مجهز به یک محلول خنک‌کننده است تا گرما را از طریق آن از بین ببرد.

معرفی محصول: هیت سینک سرور اچ پی HP DL180 G9

کاربرد هیت سینک چیست؟

اصلی‌ترین کاربرد هیت سینک (heatsink) دور نگه داشتن گرما از قطعات سخت‌افزاری است. این عملکرد هیت سینک براساس نوع آن با جذب و از بین بردن گرما انجام می‌شود. بنابراین همه ی سیستم‌ها به ویژه کامپیوترها و سرورها برای کارکرد مناسب نیاز به هیت‌سینک دارند.

اگر یک سیستم را بدون هیتک‌سینک بوت کنید، احتمالا پس از چند ثانیه تا یک دقیقه رایانه خاموش خواهد شد، زیرا پردازنده به سطوح گرمای بحرانی رسیده است و اگر خوش‌شانس باشید این خاموشی از سوختن پردازنده جلوگیری می‌کند. بنابراین برای جلوگیری از گرما و سوختن پردازنده یا کارت گرافیک یک راه‌حل عالی استفاده از هیت‌سینک است.

معرفی محصول : هیت سینک سرور اچ پی (High Performance) HP DL360 G10

هیت سینک چگونه کار می‌کند؟

هیت سینک برخلاف تصور بسیاری از کاربران، یک قطعه خنک‌کننده فعال نیست؛ یعنی خودش سرما تولید نمی‌کند. وظیفه اصلی آن انتقال سریع گرمای تولیدشده از یک قطعه داغ به محیط اطراف است. در واقع هیت سینک یک مسیر حرارتی ایجاد می‌کند تا انرژی گرمایی که در قطعاتی مانند پردازنده (CPU)، چیپست، کارت گرافیک یا پردازنده‌های سروری تولید می‌شود، قبل از رسیدن به دمای خطرناک از آن قطعه خارج شود.

فرآیند خنک‌سازی هیت سینک در چند مرحله انجام می‌شود:

۱. انتقال گرما از قطعه الکترونیکی به هیت سینک

زمانی که یک پردازنده یا قطعه الکترونیکی تحت بار کاری قرار می‌گیرد، بخشی از انرژی الکتریکی مصرف‌شده به گرما تبدیل می‌شود. این گرما ابتدا در سطح تراشه ایجاد شده و سپس به پوشش فلزی یا سطح تماس آن منتقل می‌شود.

از آنجا که سطح پردازنده و هیت سینک در مقیاس میکروسکوپی کاملاً صاف نیستند، بین این دو سطح فضاهای بسیار کوچکی از هوا باقی می‌ماند. هوا رسانای ضعیفی برای انتقال حرارت است؛ به همین دلیل از خمیر حرارتی (Thermal Paste) یا پد حرارتی استفاده می‌شود تا این فاصله‌ها پر شده و مسیر انتقال گرما بهبود پیدا کند.

۲. پخش شدن گرما در پایه و پره‌های هیت سینک

پس از انتقال گرما به پایه هیت سینک (Base)، انرژی حرارتی در ساختار فلزی آن پخش می‌شود. جنس هیت سینک در این مرحله اهمیت زیادی دارد.

برای مثال:

• مس به دلیل رسانایی حرارتی بالاتر، گرما را سریع‌تر از محل تماس دور می‌کند.
• آلومینیوم به دلیل وزن کمتر، قیمت مناسب‌تر و قابلیت ساخت پره‌های متعدد، معمولاً برای بخش گسترده‌ای از هیت سینک‌ها استفاده می‌شود.

به همین دلیل در بسیاری از هیت سینک‌های حرفه‌ای، مخصوصاً در تجهیزات پردازشی، از ترکیب مس و آلومینیوم استفاده می‌شود؛ به این صورت که بخش تماس با CPU از مس ساخته شده و پره‌ها از آلومینیوم هستند.

۳. انتقال گرما از پره‌ها به هوا

مهم‌ترین بخش طراحی هیت سینک، پره‌ها (Fins) هستند. این پره‌ها سطح تماس فلز با هوا را چندین برابر افزایش می‌دهند تا گرمای ذخیره‌شده راحت‌تر به محیط منتقل شود.

هرچه سطح پره‌ها بیشتر باشد، امکان تبادل حرارت افزایش پیدا می‌کند؛ اما طراحی آن‌ها باید به گونه‌ای باشد که هوا بتواند بین فاصله‌های موجود جریان پیدا کند. به همین دلیل در هیت سینک‌های سرور و سیستم‌های پردازشی، شکل، تعداد و فاصله پره‌ها بر اساس میزان توان حرارتی پردازنده طراحی می‌شود.

۴. نقش جریان هوا در افزایش عملکرد هیت سینک

انتقال گرما از پره‌ها به هوا می‌تواند به دو روش انجام شود:

در هیت سینک‌های غیرفعال (Passive):
گرمای پره‌ها به کمک جریان طبیعی هوا خارج می‌شود. هوای گرم به دلیل کاهش چگالی بالا می‌رود و هوای خنک‌تر جایگزین آن می‌شود. این روش بدون مصرف انرژی و بدون تولید صدا است، اما ظرفیت دفع حرارت محدودی دارد.

در هیت سینک‌های فعال (Active):
یک فن یا دمنده، جریان هوای بیشتری روی پره‌ها ایجاد می‌کند. افزایش گردش هوا باعث می‌شود گرمای بیشتری در زمان کوتاه‌تر از هیت سینک خارج شود. به همین دلیل در پردازنده‌های دسکتاپ، ورک‌استیشن‌ها و بسیاری از سرورها، هیت سینک همراه با فن استفاده می‌شود.

آیا هیت سینک بدون فن کار می‌کند؟

بله، هیت سینک می‌تواند بدون فن نیز کار کند. در این نوع طراحی که به آن هیت سینک غیرفعال (Passive Heat Sink) گفته می‌شود، انتقال گرما بدون استفاده از قطعات متحرک و تنها با کمک رسانش حرارتی و جریان طبیعی هوا (Natural Convection) انجام می‌شود.

در هیت سینک‌های Passive، گرمای تولیدشده توسط قطعه‌ای مانند چیپ الکترونیکی یا پردازنده ابتدا به بدنه فلزی هیت سینک منتقل می‌شود. سپس پره‌های هیت سینک با افزایش سطح تماس با هوا، باعث می‌شوند گرما به‌تدریج به محیط اطراف منتقل شود.

مزیت اصلی هیت سینک‌های بدون فن این است که:

• هیچ صدایی تولید نمی‌کنند.
• به انرژی الکتریکی اضافی نیاز ندارند.
• به دلیل نداشتن قطعه متحرک، استهلاک کمتری دارند.

با این حال، ظرفیت دفع حرارت در مدل‌های بدون فن محدودتر است. به همین دلیل برای قطعاتی که گرمای زیادی تولید می‌کنند، مانند پردازنده‌های قدرتمند کامپیوتر، ورک‌استیشن‌ها و بسیاری از سرورها، معمولاً از هیت سینک فعال (Active Heat Sink) همراه با فن یا سیستم گردش هوای اجباری استفاده می‌شود.

در تجهیزات سروری، انتخاب بین هیت سینک بدون فن یا فن‌دار به عواملی مانند توان حرارتی پردازنده (TDP)، طراحی شاسی سرور، تعداد فن‌ها و مسیر گردش هوا بستگی دارد.

نقش هیت سینک در سرورها

در سرورها، عملکرد هیت سینک اهمیت بیشتری دارد؛ زیرا پردازنده‌های سروری مانند Intel Xeon یا AMD EPYC در زمان پردازش‌های سنگین می‌توانند توان حرارتی بالایی تولید کنند. در این تجهیزات، هیت سینک فقط یک قطعه فلزی ساده نیست، بلکه بخشی از طراحی کلی سیستم خنک‌کننده است که باید با مسیر گردش هوای شاسی، فن‌های سرور و توان حرارتی پردازنده هماهنگ باشد.

برای مثال در سرورهای HPE، هیت سینک پردازنده معمولاً به صورت اختصاصی برای همان نسل پردازنده و شاسی طراحی می‌شود تا انتقال حرارت بین CPU و جریان هوای داخلی سرور با کمترین مقاومت حرارتی انجام شود.

به صورت ساده مسیر انتقال حرارت در یک سیستم مجهز به هیت سینک به شکل زیر است:

CPU یا قطعه الکترونیکی → خمیر حرارتی → پایه هیت سینک → پره‌ها → جریان هوا → محیط

بنابراین هیت سینک با تولید سرما، بلکه با کاهش مقاومت مسیر انتقال حرارت و افزایش سطح دفع گرما باعث می‌شود قطعات الکترونیکی در محدوده دمایی ایمن کار کنند.

انواع هیت سینک

انواع هیت سینک (heatsink) براساس مواد مورد استفاده برای ساخت در دو نوع مسی و آلومینیومی وجود دارند. همچنین براساس عملکرد هیت سینک در سه مدل فعال، غیرفعال و هیبریدی وجود دارد.

انواع هیت سینک بر اساس جنس 

هیت سینک مسی

یکی از موادی که برای ساخت هیت‌سینک به‌دلیل رسانایی حرارتی آن استفاده می‌شود مس است. در واقع این ماده دو برابر بیشتر از آلومینیوم در ساخت این قطعه کاربرد دارد با این‌که مس قابلیت تراش بهتری برای فرم‌دهی دارد اما به‌دلیل این‌که باید با دیگر موارد ترکیب شود، قیمت گران‌تری نسبت به مواد دیگری دارد.

 هیت سینک آلومینیومی

یکی دیگر از متداول‌ترین مواد که برای هیت‌سینک استفاده می‌شود آلومینیوم است. این ماده به‌دلیل رسانایی حرارتی بالا، وزن سبک، قابلیت تراش آسان و قیمت مناسب‌تر برای ساخت هیت‌سینک کاربرد گسترده‌تری نسبت به مس دارد.

انواع هیت سینک بر اساس روش خنک‌سازی

 هیت سینک فعال (Active heat sink)

هیت سینک فعال یا Active heat sinks برای افزایش جریان سیال در سراسر منطقه الکترونیکی داغ شده از عملکرد هوای متحرک (forced air) استفاده می‌کند. این کار به‌طور معمول توسط یک فن یا قطعه‌ی دمنده دیگری ایجاد می‌شود.

نمونه‌ای بارز از هیت‌سینک فعال که بر اساس هوای متحرک عمل می‌کند فن کامپیوتر است. این فن در سیستم پس از گرم شدن رایانه روشن می‌شود. سپس هوای پخش شده در سراسر هیت‌سینک باعث می‌شود که هوای گرم نشده ی بیشتری در سطح آن حرکت کند. بنابراین گرادیان حرارتی در سراسر هیت‌سینک افزایش می‌یابد و باعث می‌شود گرمای بیشتری از سیستم خارج شود.

 هیت سینک غیرفعال (Passive heatsink)

هیت سینک های غیرفعال یا Passive heat sinks برای عملکرد به همرفت طبیعی متکی است. بدین‌معنا که شناور بودن هوای گرم به تنهایی باعث ایجاد جریان هوا در سراسر سیستم سینک حرارتی می‌شود. مزیت این نوع هیت‌‌سینک‌ها این است که برای حذف گرما از سیستم، نیازی به برق ثانویه یا قطعات کنترلی ندارد. با این حال، عملکرد سینک‌های حرارتی غیرفعال در انتقال گرمای سیستم نسبت به هیت‌سینک‌های فعال کمتر است.

معرفی محصول: هیت سینک سرور HP DL380 G9 High Performance 

هیت سینک هیبریدی (Hybrid heat sinks)

هیت سینک هیبریدی ترکیبی از جنبه‌های هیت‌سینک غیرفعال و فعال است. استفاده از این پیکربندی کمتر رایج است و بیشتر برای خنک کردن قطعات الکترونیکی، به سیستم‌های کنترلی بر اساس نیازهای دمایی متکی است.

هنگامی که سیستم در سطوح خنک‌تر کار می‌کند، سیستم به صورت غیرفعال گرما را مدیریت می‌کند. هنگامی که منبع به دمای بالاتر می‌رسد، مکانیسم خنک‌کننده فعال برای افزایش ظرفیت خنک‌کننده سیستم شروع به کار می‌کند.

معرفی محصول: هیت سینک سرور HPE ML370 G6 اچ پی

هیت سینک CPU چیست؟

برای هر CPU یک هیت سینک لازم است زیرا CPUها به‌دلیل تولید گرما توسط برخی از اجزای آن مستعد بیش از حد گرم شدن هستند. این گرما می‌تواند باعث آسیب دیدن تراشه‌های الکترونیکی CPU شود. داشتن یک هیت‌سینک به خنک شدن آن کمک می‌کند. هیت‌سینک CPU به‌گونه‌ای طراحی شده که قابلیت طولانی کار کردن را دارد. این قطعه گرمای حاصل از CPU را جذب می‌کند و سپس گرما را از اجزای آن دور نگه می‌دارد. این اتلاف گرما به دلیل پره‌هایی است که هیت‌سینک دارد و در طول انتقال گرما سطح بیشتری را دربرمی‌گیرد.

توجه داشته باشید که برای عملکرد بهتر هیت سینک CPU با فن ترکیب می‌شود تا به افزایش جریان هوا کمک کند و CPU در دمای مناسب بماند. به همین دلیل است که در جعبه‌های CPU موجود در بازار، یک سیستم خنک‌کننده شامل فن و هیت‌سینک وجود دارد.

نصب صحیح هیت سینک

با توجه به نوع هیت‌سینک فعال یا غیرفعال بهتر است که نصب آن را به دست متخصصان در این زمینه بسپارید. با این‌حال اگر می‌خواهید خودتان آن را نصب کنید، ابتدا سیستم را خاموش کنید. به‌طور معمول دستورالعمل‌های نصب صحیح هیت سینک در دفترچه راهنمای آن ذکر شده ، زیرا نصب برای رایانه و سرور متفاوت است.

همچنین به‌خاطر داشته باشید اگر قصد دارید چندین گزینه مربوط به برد سیستم را نصب کنید، ابتدا باید نصب PHM انجام شود. علاوه بر این پردازنده و هیت‌سینک به عنوان بخشی از مجموعه ماژول پردازنده-حرارت هیت سینک (PHM) با هم نصب می‌شوند. بنابراین برای نصب PHM به درایور Torx T30 نیاز می باشد.

در هنگام نصب دقت کنید که هر سوکت پردازنده باید همیشه دارای یک پوشش یا PHM باشد. هرگز سوکت پردازنده را لمس نکنید. زیرا کنتاکت‌های سوکت پردازنده بسیار شکننده هستند و به‌راحتی آسیب می‌بینند. همچنین آلاینده‌ها مختلف مانند روغن پوست دست در تماس با پردازنده می‌تواند باعث اتصال و خرابی آن شود. بنابراین بهتر است هر بار فقط یک PHM را حذف و نصب کنید. اگر برد سیستم از چندین پردازنده پشتیبانی می‌کند، PHM‌ها را با اولین سوکت پردازنده نصب کنید.

اجازه ندهید که گریس حرارتی روی پردازنده یا هیت‌سینک با چیزی تماس پیدا کند. تماس با هر سطحی می‌تواند گریس حرارتی را به خطر بیندازد و آن را بی‌اثر کند. همچنین گریس حرارتی می‌تواند به اجزایی مانند اتصالات الکتریکی در سوکت پردازنده آسیب برساند.

برای نصب هیت‌سینک علامت‌های مثلثی و پین‌های راهنما روی سوکت پردازنده را با PHM تراز کنید. سپس، PHM را در سوکت پردازنده قرار دهید. سپس بست‌های محافظ را به ترتیبی که روی برچسب هیت‌سینک نشان داده شده است، کاملا سفت کنید. سپس، به‌صورت چشمی بررسی کنید تا مطمئن شوید که هیچ شکافی بین شانه پیچ زیر هیت‌سینک و سوکت پردازنده وجود ندارد.