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防止半导体过热,深入了解亚琛3D打印高效的微型散热器

时间:2021-04-10 09:42 来源:3D科学谷 作者:中国3D打印网 阅读:
极光尔沃

      近年来,由于电子元器件及其应用产品的飞速发展,热损耗与热安全问题日益凸显,电子产品散热器作为散热功能性部件,在电子产品应用领域扮演越来越重要的角色。据公开文献调查,电子产品的热管理是一个价值100亿美元的市场,并且是该技术的潜在受益者。

       而3D打印在推动散热器结构复杂化方面将扮演重要的角色,3D打印用于散热器或热交换器的制造满足了产品趋向紧凑型、高效性、模块化、多材料的发展趋势,特别是用于异形、结构一体化、薄壁、薄型翅片、微通道、十分复杂的形状、点阵结构等加工,3D打印具有传统制造技术不具备的优势。

IQ-Big 53 3D打印冷却器(在图像右侧)用于组装两个Semitop模块©亚琛 IQ-evolution

为批量生产而设计的冷却器

在电子器件散热方面,来自德国亚琛的IQ-evolution公司,则是开发了与PCB集成在一起的散热结构(inboard cooler),展示出借助3D打印可以获得的令人惊叹的创新潜力。

如果只有很小的空间可用来散发功率半导体的热量损失,那么这正是亚琛的IQ-evolution公司开发的微型冷却器的用途。

block 主动散热与被动散热

自2006年以来,来自德国亚琛(Aachen)的IQ-evolution公司通过PBF激光粉末床融化工艺(简称LPBF0也称为选区激光熔化)来加工微型冷却器。通过激光束在粉末床上一层一层地形成内部复杂结构,从而创建非常复杂的组件,而无需使用其他模具。

Part_Cooling_Fraunhofer_2将IQ Big 53冷却器拧到两个Semitop模块上(双层包装的尺寸:60 mm x 55 mm x 24 mm(HxWxD)),重量约为100克。 ©亚琛 IQ-evolution

3D打印的不锈钢散热器早已进入电子开发实验室,根据3D科学谷的深度了解,在冷却性能和冷却组件的功率输出方面,所有最先进的SiC组件(由碳化硅制成的功率半导体)应用领域,都获得了令人印象深刻的结果。这些SiC元件能够以97%到99%的效率传输非常高的功率。产生的热量损失的可靠散逸决定了功率电子设备的性能。

除了使用主动散热元件外,被动元件最近也成为亚琛的关注焦点。在这里,例如对于大电流线圈,对冷却的需求也在增加。通过3D打印可以提供合适的解决方案,例如厚度为0.8毫米的薄壁,使得总有用于冷却插件的空间。

通过这种散热器也可以可靠地并且以节省空间的方式实现用于车辆传感器数据的图形处理的芯片的冷却。通常即使不显着改变封闭外壳也是如此。

根据3D科学谷的了解,亚琛正在研究的另一个解决方案是电源导轨冷却,母线以高电流连接功率电子设备中的组件。在此,必须有效地消除导体内部以及接触点处的电阻所产生的多余热量。亚琛目前通过3D打印技术为这个应用领域开发合适的解决方案。

block 金属及其导热系数

为了实现批量生产,根据3D科学谷的了解,亚琛IQ Evolution开发团队致力于对小型结构进行金属3D打印。对于散热器的应用来说,就其导热性而言,所使用的材料(不锈钢1.4404)将远远落后于铜和铝。例如,IQ-Big 53使用的是1.4404不锈钢粉末。不过考虑到要散发的热量仅需要覆盖大约50毫米的距离,采用不锈钢是足够的。

还必须考虑冷却类型:对于具有良好导热性的材料,目的是要具有尽可能大的表面以实现热交换。亚琛IQ Evolution开发的冷却器所使用的原理是不同的,在此以有针对性的方式产生湍流,以便将热量带走。而与这种类型的冷却完全无关的是,内部结构的材料是什么。关于热传导,它们无论如何都不参与热交换。

从工作原理的角度来理解,3D科学谷发现亚琛IQ Evolution开发的冷却器或许被成为湍流器更为合适。而人工智能在开发中也起到了关键作用,最终,这些湍流器是通过人工智能进行复杂的优化而开发出来的。

亚琛IQ Evolution开发的冷却器产品组合中的一种产品是一种嵌入式冷却器(散热器)。这些电源模块具有不同的名称,例如Easypack或Flow。根据3D科学谷的了解,亚琛工业大学(ISEA)的电力电子和电气驱动研究所使用这种散热装置进行双向冷却,已证明在实际环境中每侧的冷却能力为700 W,即每台冷却器的总冷却能力为1.4 KW。

一个成功的应用案例是将IQ-Big 53系列冷却器用在汽车版本中,在100 mbar的压差下实现了2.2 l / min的流量(低压损失,高流量)。这已经足以实现上述的冷却性能。与此同时,IQ-Big 53重量很轻,因为它仅重33克。

block 冷却器的批量生产和价格

重量轻表明,IQ-Big 53从设计阶段就开始为批量生产而设计。通过优化重量,使用激光工艺熔化的粉末更少,与传统的散热器相比,这也导致了巨大的价格差异。组件的价格随制造工厂的寿命而定。不需要设置的东西一开始不会花费任何费用。对于同时制造的许多组件,成本会相应地分配,用户将从中受益。

模块化的高效的冷却方法意味着可以省去昂贵的单个组件(例如SiC-MOSFET),只要技术设计允许这样做即可。以下示例:根据应用需求,将冷却十二个功率模块,这些功率模块可提供210 kW的总电功率。这需要使用冷却板的4.2 kW的冷却能力。

IQ的解决方案:凭借每侧700 W的冷却能力和两侧的装备,仅需在三个IQ Big 53冷却器上的六个模块即可提供210 kW的所需输出,例如,使用制造商Semikron的Semitop模块。

节省的成本:整个系统的整体体积小得多,重量从10公斤左右减少到500克以下,这减少了20倍,还可以计算出将所需模块数量减半将足以补偿三个冷却器的任何额外价格。此外,亚琛的解决方案还具有减轻重量和体积的优点。

Part_Cooling_Fraunhofer_3优化的3D打印冷却器用于线轴冷却,带有集成的接触衬套。 ©亚琛 IQ-evolution

市场还提供完全可以满足批量生产所需功能的机器-每月可能有多达100,000个零件的大批量生产。这种3D打印系统具有高度的自动化mation下游测试和处理过程也可以完全自动映射,从而可以按相应的采购数量进行整个生产。

block 特殊合金和新金属组合

根据解决方案要求,可以将各种金属和金属合金用于3D打印过程中的冷却器。关于耐热性、热导率和冷却能力,热膨胀或电导率的要求对于所使用的材料是决定性的。如有必要,可使用特殊合金或什至新开发的金属组合。也可以生产由多种材料组成的混合组件。

根据所使用的冷却器材料,壁厚可能约为80 µm。通常的方法可用于表面精加工和金属化。特别是在热管理领域,为了满足产品要求,优化流量控制,微结构和材料性能至关重要。

基本上,LPBF工艺具有原型构造和灵活性方面的优势,几乎具有无限的设计自由度。不过目前的LPBF机器是为大型组件而设计的,因此伴随着较大的层厚度和较大的激光聚焦。两者均不适用于构建功率冷却器所需的那种小型结构。

现实操作中根据项目的需求,购买多台LPBF机器和大量购买粉末会带来制造成本下降。根据3D科学谷的了解,几台机器的粉末加工和粉末供应的集中化也促成了一个事实,一个大系列的IQ-Big-53冷却器的价格可以大大低于30欧元。

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