液冷冷板制造成本动因


快速要求



使用不同技术在液冷板制造中的影响

液态冷板的价格可以相差很大;理解为什么可以帮助您降低成本,并获得适当冷却应用程序所需的性能。冷板制造的两个最大的成本驱动因素是热性能要求和年需求,这通常是热工程师和制造工程师很少或没有控制。但是,您可以通过了解粗糙度、平整度、硬度、表面形貌、安装特性和液体连接规范如何影响冷板的成本来降低成本。通过让冷板制造商参与设计过程的早期,您将能够识别制造成本驱动因素,并选择最具成本效益的设计。

大多数冷板由铝制成,但一些新技术使用铜。虽然铜有更好的导热性,铝被更多的使用,因为它通常更便宜,更轻,更容易工作。加工铜是非常困难和昂贵的。如果铝满足热性能规格,它通常是最好的材料使用。

两种最流行的铝冷板技术是管道的,真空钎焊(见图1)。管冷板通常是铜或不锈钢管压入通道的铝挤出。它们具有成本效益,为低至中型瓦特密度提供良好的散热。真空钎焊冷板包括两块冶金与内部鳍片一起融合。它们的各种尺寸可供选择,并提供极高的性能,使其适用于热负荷集中的应用。劳动力时间有限,有管和真空钎焊冷板技术。因此,美国冷板制造商往往与海上厂家竞争激烈。购买海上的劳动力成本较低,通常通过运输和海关费用,以及与长期交通时间相关的其他库存。海上节省的阈值数量通常为每年约10,000个冷板或更多。



铝冷板最大的成本驱动因素,在以上提到的,是加工时间和额外的加工步骤。冷板制造商通常有与加工时间相关的成本,包括机器、电源、用品和维护的折旧成本。因此,冷板在机器中放置的时间越长,成本就越高。每一个额外的处理步骤都会继续抬高成本。




挤出和铸件

为了减少加工时间和降低成本,最好尽量使用挤压和铸造。挤压是通过将金属通过模具制造出具有固定横截面的物体而产生的。新的挤压模具相对便宜,挤压尺寸限制在约9英寸(22.86厘米)宽。挤出壁的厚度需要相对一致,任何通道或特征需要是直的。

您的制造商也可以使用挤压和机械加工的组合来降低成本。可以对某些特征进行挤压,然后对更复杂的特征进行加工。另一个选择的原型目的是机器冷板为低数量,然后,一旦设计被证明和固定,使模具挤压。这将有助于降低挤压成本,如果你设计的板与挤压的特点在脑海中。

另一种选择是将铸造和机械加工结合起来制造冷板。例如,如果铸件不够平整,就需要进行二次操作,使冷板达到所需的平整度规格。需要注意的是,砂型铸件不是真空钎焊冷板的选择,因为使用的大多数合金的熔点温度低于真空钎焊温度。它们的使用被严格限制在管状冷板上。建议对这两种生产工艺进行报价,并权衡利弊。

通常,挤压或铸造的最小采购数量是高的,所以你需要正确的应用,以证明使用这些工艺。挤压和铸件都可以提供显著的成本节省总体。




表面粗糙度

表面粗糙度(光洁度)是一个可以显著增加成本而对性能影响很小的要求。冷板上的粗糙度是表面上的不均匀、脊或凸出,导致热传导表面的不均匀。与某些观点相反,粗糙度对冷板热性能的影响相对较小。(见图2)。在大多数应用中,冷板和组件之间的表面接触少于10%或超过90%的空气间隙。光滑的表面只会略微减少空气间隙的百分比。



典型的加工冷板将具有32-64μIN(81-163μCM)的表面光洁度,这足以适用于大多数应用。使用标准加工中心可以减少到16μIN(41μCM)的粗糙度,但这需要更加刚性的固定装置,以减少任何潜在的颤动和加工头的速度和速度。(速度是切削工具头旋转和饲料的速率是机器头穿过冷板的速率。)减少速度和进料转化为更长的加工中心时间,从而提高成本。

大多数应用使用部件或板和冷板之间的热界面材料(TIM),以帮助最小化间隙。蒂姆应尽可能薄,因为蒂姆的相对高的热阻大大地掩盖了从更平滑的表面进行了任何电导率改进。将部件或板的夹紧力增加到冷板也可以有助于抵消更高的粗糙度,但它可能会增加板或组分的应力。夹紧应力也可以增加热膨胀系数(CTE)不匹配的影响作为冷板和部件或板升温。




表面平坦

表面平整度比表面粗糙度对冷板热性能的影响更大,因为如果冷板不平,接触面积大大减少(见图2)。标准平整度规格为0.001英寸/英寸(0.003厘米/厘米)。因此,在您的测量点的一英寸内,冷板的最低点将不超过0.001英寸(0.003厘米)低于最高点。如果您的规格要求平整度优于0.001英寸/英寸(0.003厘米/厘米),一个省钱的方法是指定一个局部平整度,而不是整个板上的一个紧密的平整度。例如,如果你在一个冷板上安装多个绝缘栅极双极晶体管(IGBT),并且每个IGBT需要横跨整个基板0.001英寸/英寸(0.003厘米/厘米),指定单个IGBT的局部平坦度,而不是要求整个基板非常平坦。

冷板的扁平工艺通常涉及液压机。脱脂切口可用于改善平坦度。通过脱脂切割,机床确定冷板的最低点,并在最低点和较高区域的最低点脱离非常小的金属,以实现平坦的表面。虽然脱脂切割铝块非常容易,撇去切割真空钎焊的冷板或管道冷板的管侧更困难。真空钎焊的冷板和管道冷板的冷却表面通常是薄的,以优化热性能。如果冷板不平坦,脱脂切口可能太深,墙壁将变薄,可能变得太弱,以保持压力甚至突破。或者,您可以从较厚的冷板开始以消除泄漏的可能性,但您将牺牲一些性能。




表面形貌

最小化表面形貌在保持成本下也很重要,特别是对于电路板应用。复杂表面形貌通常需要从厚厚的铝块开始,并使不需要的铝加工。这导致高原料成本和过多的加工时间。如果无法消除地形,则板上的高度具有相似高度的捆绑部件可以降低加工要求。




硬度

铸造、挤压或真空钎焊冷板经过处理后非常柔软,通常只有T0硬度。冷板必须硬化,因为软铝很难加工和处理。冷板必须经过热处理才能使硬度从T0提高到T4。热处理过程包括将冷板加热到1000°F(538°C),让它在这个温度下停留大约1小时/英寸的冷板厚度,然后通过快速冷却的方法对其进行热冲击(见图3)。冷却冷板的一种方法是将其直接从炉中放下,放入水浴中。从T4到T6,冷板必须人工老化。这是通过让冷板放置在300°F-400°F(149°C-204°C) 8-16小时来实现的。T6提供了具有高抗拉强度的非常硬的冷板,这是军事和航空航天应用的典型要求。然而,对于大多数应用程序来说,T4已经足够困难了,而指定T6只会增加不必要的成本。




安装功能/孔

冷板制造的另一个成本增加是孔的增加。一个孔可能会使一个冷盘的成本增加3美元。钻孔增加成本的主要原因之一是不能在流体路径上钻孔。因此,对于管式冷板,需要在管中做一个弯管来容纳孔,每弯管都会增加成本。对于真空钎焊冷板来说,必须在流体通道中创建一个岛,这也意味着内部翅片的电火花加工(EDM),这会增加相当多的加工时间,从而增加成本。

有几种类型的孔。一种类型是通孔,其从冷板的一侧传递到另一侧。第二种类型是螺纹孔,具有螺纹。由于铝相对柔软,如果部件或板经常改变,则螺纹孔具有有限的寿命。搭配螺纹孔,通常使用直升机。直升机是一个坚固的钢插入件,其增加了螺纹的螺纹,用于频繁成分变化的应用。通过单一钻孔过程产生通孔,而螺纹孔需要在同一台机器上设置的附加工具。直升机需要安装的截止孔,并安装起重机安装本身在加工中心外完成。总之,通过孔是最便宜的,直升机是最昂贵的。

孔的位置和间距的紧张宽容也可以推动成本。合理的公差规范为±0.005英寸(±0.013cm)。与平坦度一样,尽可能降低局部公差会降低成本。用大冷板,孔可以相对较远,耐受性变得越难以维持。一个原因是,由于头部的行程更远的距离增加,机床容差增加。另一个原因是,在机器车间中可能存在高达18°F(10°C)的热梯度,可以将冷板扩展或收缩多达0.005英寸(±0.013cm)。通过孔是最容易指定更严格的公差,因为通过单个工具操作来完成通孔的创建,而螺纹孔不易容易耐受,因为使它们涉及两个工具。直升机是最难的耐受性,因为该过程需要截止孔,直升机本身具有耐受性。所有公差都加起来,制造更难,更昂贵。避免小螺纹孔也有助于降低成本。 Hole sizes of 4-40 or smaller become difficult to tap as the taps can break while drilling. In order to minimize this problem, the machine must run much slower. One way to counter tight tolerances requirements on a cold plate is to increase the size of the mounting holes in the component or board.




液体连接

对于液体连接,一般情况下,直螺纹o型环内螺纹接头效果最好。除了焊接系统,它以最低的成本提供最好的密封。管道连接,如NPT接头,不能提供如冷板等组件所需的精度。在真空钎焊冷板上,应避免插入接头,如带刺或串珠接头,因为它需要另一个操作,如焊接连接接头。此外,延伸到冷板之外的配件需要在运输过程中进行保护,这可能会增加包装成本。快速断开应该只在必要时使用,因为每双可能要花费750美元。对于需要频繁更换的冷板或电子产品,需要快速断开。在运输时已经充有冷却液的冷板也需要这种材料。对于液体连接,另一个需要考虑的问题是端口公差。通常进来的管道有一些弹性。 A reasonable tolerance is between ±0.030 inch (0.076 cm) and ±0.060 inch (0.152 cm).




设计和制造合作伙伴关系

使用冷板设计的冷板制造商在冰板的设计中或灵活地与打印设计的灵活性,将允许最多的成本节省。虽然冷板制造中的两个最大成本驱动因素是热性能要求和年需求,但热和/或元件工程师有许多其他因素有一些控制。确保每个规范都有原因,因为每个规范都可以推动成本,有助于保持成本。重要的是要确定粗糙度,平坦度,表面形貌,硬度,安装特征和孔以及液体连接规格是必要的。此外,重要的是要意识到,不仅有许多替代方案,而且还有许多替代方案,而且还可以使用的制造过程,如果不是在制造中省数千美元,则可以节省数百美元。


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