冷板制造中最大的兩個(gè)成本驅(qū)動(dòng)因素是導(dǎo)熱性能要求和年度需求,通常熱工程師和制造工程師很少或根本無(wú)法控制?但是,您可以通過(guò)了解粗糙度?平整度?硬度?表面形貌?安裝特征和液體連接規(guī)格如何影響冷板的成本來(lái)降低成本?通過(guò)在設(shè)計(jì)過(guò)程的早期讓冷板制造商參與進(jìn)來(lái),您將能夠確定制造成本驅(qū)動(dòng)因素并選擇最具成本效益的設(shè)計(jì)?

大多數(shù)冷板由鋁制成,但一些新技術(shù)使用銅?雖然銅具有更好的導(dǎo)熱性,但鋁的使用頻率更高,因?yàn)樗ǔ８阋?更輕且更易于使用?銅的加工非常困難且昂貴?目前兩種最流行的鋁冷板技術(shù)是管狀和真空釬焊(見(jiàn)圖1)?管狀冷板通常是壓入槽槽鋁型材的銅管或不銹鋼管?它們具有優(yōu)異的成本優(yōu)勢(shì),并為中低功率密度器件提供良好的散熱解決方案?真空釬焊冷板由兩塊冶金結(jié)合在一起的板和內(nèi)翅片組成?它們有各種尺寸可供選擇,并提供極高的性能,使其成為熱負(fù)荷集中應(yīng)用的理想選擇?管式和真空釬焊冷板技術(shù)的工作時(shí)間都受到限制?

在上述因素之后,鋁冷板的最大成本驅(qū)動(dòng)因素是加工時(shí)間和額外的加工步驟?冷板制造商通常有與加工時(shí)間相關(guān)的成本,其中包括機(jī)器?電源?耗材和維護(hù)的折舊成本?因此,冷板在制造設(shè)備中放置的時(shí)間越長(zhǎng),成本就越高?每個(gè)額外的處理步驟都會(huì)繼續(xù)推高成本?

(1)擠壓件和壓鑄件

為了最大限度地減少加工時(shí)間并降低成本,最好盡可能多地使用擠壓和鑄造?擠壓是通過(guò)將金屬推過(guò)模具以創(chuàng)建具有固定橫截面的物體而產(chǎn)生的?用于新擠出的模具相對(duì)便宜,擠出尺寸限制在約 9 英寸(22.86 厘米)寬?擠出壁厚需要相對(duì)一致,任何通道或特征都需要筆直?制造商還可以結(jié)合使用擠壓和機(jī)加工來(lái)降低成本?可以對(duì)某些特征進(jìn)行擠壓,然后可以加工更復(fù)雜的特征?這將有助于降低擠出成本,前提是您在設(shè)計(jì)板材時(shí)考慮到擠壓特征?另一種選擇是將鑄造和機(jī)加工結(jié)合起來(lái)制造冷板?例如,如果鑄件不夠平整,則需要進(jìn)行二次操作以使冷板達(dá)到所需的平整度規(guī)格?通常,擠出或鑄造的最低采購(gòu)量很高,因此您需要正確的應(yīng)用來(lái)證明使用這些工藝的合理性?擠壓和鑄件都可以從整體上節(jié)省大量成本?

(2)表面粗糙度

表面粗糙度(光潔度)可能會(huì)增加大量成本,但對(duì)性能影響很小?與一些人的看法相反,粗糙度對(duì)冷板的熱性能影響相對(duì)較小?在大多數(shù)應(yīng)用中,冷板和組件之間的表面接觸小于 10% 或氣隙超過(guò) 90%?更光滑的表面只會(huì)略微降低氣隙的百分比?典型的機(jī)加工冷板的表面光潔度為 32-64 μin (81-163 μcm),這對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了?使用標(biāo)準(zhǔn)加工中心可以將粗糙度降低到 16 μin (41 μcm),但這需要更堅(jiān)固的夾具,以減少任何潛在的顫振以及加工頭的速度和進(jìn)給速度較慢?(速度是切削刀頭旋轉(zhuǎn)的速率,進(jìn)給是機(jī)頭在冷板上移動(dòng)的速率?降低速度和進(jìn)給量意味著加工中心時(shí)間更長(zhǎng),從而增加成本?

大多數(shù)應(yīng)用在組件或電路板與冷板之間使用熱界面材料 (TIM),以幫助最大限度地減少間隙?TIM 應(yīng)盡可能薄,因?yàn)?TIM 相對(duì)較高的熱阻大大掩蓋了具有更光滑表面的任何電導(dǎo)率改進(jìn)?增加元件或板對(duì)冷板的夾緊力也有助于抵消更高的粗糙度,但可能會(huì)增加板或元件上的應(yīng)力?當(dāng)冷板和組件或電路板升溫時(shí),夾緊應(yīng)力還會(huì)增加熱膨脹系數(shù) (CTE) 失配的影響?

(3)表面平整度

與表面粗糙度相比,表面平整度對(duì)冷板熱性能的影響更大,因?yàn)槿绻浒宀黄秸?接觸面積會(huì)大大減小(見(jiàn)圖2)?標(biāo)準(zhǔn)平整度規(guī)格為 0.001 英寸/英寸(0.003 厘米/厘米)?因此,在距離測(cè)量點(diǎn)一英寸的范圍內(nèi),冷板的最低點(diǎn)不會(huì)比最高點(diǎn)低 0.001 英寸(0.003 厘米)?如果要求平整度優(yōu)于 0.001 英寸/英寸(0.003 厘米/厘米),則一種省錢的方法是指定局部平整度,而不是整個(gè)板的緊密平整度?例如,如果要在冷板上安裝多個(gè)絕緣柵雙極晶體管 (IGBT),并且每個(gè) IGBT 在整個(gè)基板上需要 0.001 英寸/英寸(0.003 厘米/厘米),請(qǐng)指定單個(gè) IGBT 的局部平整度,而不是要求整個(gè)板非常平坦?

(4)表面形貌

最小化表面形貌對(duì)于降低成本也很重要,特別是對(duì)于電路板應(yīng)用?復(fù)雜的表面形貌通常需要從厚厚的鋁塊開(kāi)始,然后加工掉不需要的鋁?這導(dǎo)致原材料成本高,加工時(shí)間過(guò)長(zhǎng)?如果無(wú)法消除形貌,則將高度相似的組件捆綁在電路板上可以降低加工要求?

(5)硬度

鑄造?擠壓或真空釬焊冷板在加工后非常柔軟,通常只有 T0 硬度?冷板必須硬化,因?yàn)檐涗X很難加工和處理?要從 T0 硬度到 T4,必須對(duì)冷板進(jìn)行熱處理?熱處理過(guò)程包括將冷板加熱到 1000°F (538°C),讓它在該溫度下停留約 1 小時(shí)/英寸的冷板厚度,然后通過(guò)非?？焖俚乩鋮s它來(lái)對(duì)其進(jìn)行熱沖擊(見(jiàn)圖 3)?冷卻冷板的一種方法是將其直接從爐子中掉出并放入水浴中?要將冷板從 T4 帶到 T6,必須對(duì)冷板進(jìn)行人工老化?這是通過(guò)讓冷板在 300°F-400°F (149°C-204°C) 下放置 8-16 小時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)的?T6 提供了具有高抗拉強(qiáng)度的非常堅(jiān)硬的冷板,這是軍事和航空航天應(yīng)用的典型要求?然而,對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō),T4 已經(jīng)足夠困難了,指定 T6 只會(huì)增加不必要的成本?

(6)安裝特點(diǎn)/孔

冷板制造中的另一個(gè)成本增加因素是孔的增加?一個(gè)孔可能會(huì)使冷板的成本增加多達(dá) 3 美元?孔增加成本的主要原因之一是不能在流體路徑中打孔?因此,對(duì)于管狀冷板,需要在管子上彎曲以容納孔,并且每個(gè)彎曲都會(huì)增加成本?對(duì)于真空釬焊冷板,必須在流體路徑中創(chuàng)建一個(gè)島,這也意味著對(duì)內(nèi)部翅片進(jìn)行電火花加工 (EDM)?這會(huì)增加相當(dāng)多的加工時(shí)間,從而增加成本?

對(duì)孔的位置和間距的嚴(yán)格公差也會(huì)推高成本?合理的公差規(guī)格為 ±0.005 英寸(±0.013 厘米)?與平整度一樣,盡可能指定局部公差將降低成本?對(duì)于孔彼此相距相對(duì)較遠(yuǎn)的大冷板,公差變得更難保持?原因之一是機(jī)床公差隨著機(jī)頭移動(dòng)距離的延長(zhǎng)而增加?另一個(gè)原因是機(jī)加工車間中可能存在高達(dá) 18°F (10°C) 的熱梯度,這可能會(huì)使冷板膨脹或收縮多達(dá) 0.005 英寸(±0.013 厘米)?通孔是最容易指定更嚴(yán)格公差的,因?yàn)橥椎膭?chuàng)建是通過(guò)單個(gè)刀具操作完成的,而螺紋孔則不那么容易公差,因?yàn)橹谱魉鼈兩婕皟蓚€(gè)工具?螺旋油是最難公差的,因?yàn)樵撨^(guò)程需要一個(gè)攻絲孔,而螺旋油本身具有公差?所有的公差加起來(lái),使制造起來(lái)更難?更昂貴?避免小的攻絲孔也有助于降低成本?4-40 或更小的孔尺寸變得難以攻絲,因?yàn)榻z錐在鉆孔時(shí)可能會(huì)斷裂?為了盡量減少這個(gè)問(wèn)題,機(jī)器的運(yùn)行速度必須慢得多?應(yīng)對(duì)冷板嚴(yán)格公差要求的一種方法是增加組件或電路板上安裝孔的尺寸?

(7)液體連接

對(duì)于液體連接,直螺紋 O 形圈母端口通常效果最好?除了焊接系統(tǒng)外,它還以最低的成本提供最佳密封?管道連接(如 NPT 接頭)無(wú)法提供冷板等組件所需的精度?在真空釬焊冷板上,應(yīng)避免使用外螺紋配件,例如倒鉤或串珠配件,因?yàn)樗枰渌僮?例如焊接)來(lái)連接配件?此外,超出冷板的配件在運(yùn)輸過(guò)程中需要保護(hù),這可能會(huì)增加包裝成本?只有在必要時(shí)才應(yīng)使用快速斷開(kāi)連接,因?yàn)樗鼈兠繉?duì)的成本可能高達(dá) 750 美元?需要經(jīng)常更換的冷板或電子設(shè)備需要快速斷開(kāi)?對(duì)于已經(jīng)裝有冷卻液的冷板,也需要它們?對(duì)于液體連接,另一個(gè)考慮因素是端口公差?通常,傳入的管道具有一定的靈活性?合理的公差介于 ±0.030 英寸(0.076 厘米)和 ±0.060 英寸(0.152 厘米)之間?