洞悉亞馬遜開發(fā)的集成散熱功能的3D打印PCB

魔猴君  行業(yè)資訊   1541天前

近年來(lái)，由于電子元器件及其應(yīng)用產(chǎn)品的飛速發(fā)展，熱損耗與熱安全問(wèn)題日益凸顯，電子產(chǎn)品散熱器作為散熱功能性部件，在電子產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域扮演越來(lái)越重要的角色。而3D打印在推動(dòng)散熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜化方面將扮演重要的角色,3D打印用于散熱器或熱交換器的制造滿足了產(chǎn)品趨向緊湊型、高效性、模塊化、多材料的發(fā)展趨勢(shì)，特別是用于異形、結(jié)構(gòu)一體化、薄壁、薄型翅片、微通道、十分復(fù)雜的形狀、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)等加工，3D打印具有傳統(tǒng)制造技術(shù)不具備的優(yōu)勢(shì)。本期，與大家共同來(lái)領(lǐng)略亞馬遜通過(guò)3D打印開發(fā)集成散熱器的PCB方面的探索。

3D打印釋放電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)新潛力

 更加高效的散熱

根據(jù)亞馬遜本2020年9月22日獲得通過(guò)的專利US10785864B2，亞馬遜開發(fā)了集成散熱器的印刷電路板（PCB），散熱器被配置成從表面安裝的組件，通過(guò)PCB朝著與具有表面安裝的組件的一側(cè)吸取熱量。亞馬遜還開發(fā)了連接器，可用于將諸如散熱器之類的部件耦合至PCB。用于形成PCB的層可以形成為在每一層上具有一個(gè)或多個(gè)孔，通?？卓梢酝ㄟ^(guò)模切或以其他方式（例如，銑削等方式）來(lái)去除材料形成，或通過(guò)其他已知的技術(shù)來(lái)形成。而連接器（也稱為“接口”或“耦合器”）可以耦合到PCB孔，從而被配置為耦合到諸如散熱器的其他部件上。

PCB與散熱器的結(jié)合。來(lái)源：US10785864B2

借助3D打印技術(shù)，可以在增材制造過(guò)程中創(chuàng)建孔，例如通過(guò)省略將材料放置留出每一層中的孔的位置，層可包括導(dǎo)電層，例如部分地由銅或其他導(dǎo)電材料形成的金屬層。每一層中的孔可以具有與不同層具有相同的尺寸，或者可以具有與不同層不同的尺寸。電子器件發(fā)熱元件的冷卻對(duì)電子器件的性能起到關(guān)鍵作用，電子元件在安全溫度下有助于維持長(zhǎng)期的使用壽命，避免產(chǎn)生早期產(chǎn)品故障。當(dāng)前，實(shí)現(xiàn)這種冷卻的首選方法是通過(guò)自然對(duì)流的空氣流動(dòng)帶走電子器件的熱量。這種方法成本低，維護(hù)簡(jiǎn)單，無(wú)噪音。

然而，自然對(duì)流的方法亦有其局限性，其限制因素是它的冷卻極限，當(dāng)對(duì)冷卻要求比較高的時(shí)候，局限性就顯現(xiàn)出來(lái)了。要突破這一局限性，就需要對(duì)散熱元件的結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)，熱對(duì)流通過(guò)散熱器或散熱片來(lái)實(shí)現(xiàn)，這些元件的特點(diǎn)是表面積大，且由高導(dǎo)熱材料如鋁或銅制成。當(dāng)電子元器件變熱，對(duì)流傳導(dǎo)快速帶走熱量。

自然對(duì)流的成功在很大程度上取決于散熱片的散熱能力，并將其移到周圍的空氣中。設(shè)計(jì)有效的散熱片是一個(gè)仔細(xì)平衡相互矛盾的因素過(guò)程，其中包括需要增加空氣流量和表面面積，同時(shí)減少壓力損失和制造成本。

如果散熱元器件可以通過(guò)優(yōu)化高導(dǎo)熱材料的幾何形狀，增加空氣流量和表面面積，同時(shí)降低生產(chǎn)成本，那么更多的電子產(chǎn)品就可以通過(guò)自然對(duì)流冷卻，而不是訴諸更昂貴和復(fù)雜的方法。

散熱器鰭片側(cè)可以包括一個(gè)或多個(gè)鰭片，該一個(gè)或多個(gè)鰭片被配置為在PCB的與具有表面安裝部件的一側(cè)相對(duì)的一側(cè)上散熱。通過(guò)3D打印技術(shù)，散熱器可以形成為結(jié)構(gòu)一體化的單個(gè)組件被制造出來(lái)，因?yàn)闆](méi)有了焊接和組裝，從而減小熱阻并增加從表面安裝部件的熱傳遞效率。并且，結(jié)構(gòu)一體化的散熱器也可以比常規(guī)散熱器輕。

Review

亞馬遜的嘗試包括了兩個(gè)層面的3D打印技術(shù)，一個(gè)是3D打印PCB，另外一個(gè)層面是3D打印散熱器。

3D打印PCB

3D打印PCB方面，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，3D打印電路板在獲得不斷的發(fā)展進(jìn)步，將為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和其他新電子產(chǎn)品帶來(lái)更廣的創(chuàng)造性的空間。其中，Nano Dimension的DragonFly 2020 Pro 3D打印機(jī)正在改變電子產(chǎn)品開發(fā)的過(guò)程，使公司能夠控制整個(gè)開發(fā)周期。該系統(tǒng)可以3D打印功能電子結(jié)構(gòu)件，DragonFly 2020 Pro的客戶涉及廣泛的行業(yè)，包括研究，高等教育，航空航天和國(guó)防，汽車，智能系統(tǒng)，微處理器和電子產(chǎn)品。

根據(jù)Nano Dimension在中國(guó)的合作伙伴震旦集團(tuán)，不同于傳統(tǒng)的PCB板廠耗時(shí)長(zhǎng)、復(fù)雜多次的制作模式，Nano Dimension 3D電路打印以快速、保密性佳、可打印多層繁雜精細(xì)度高的打印技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)用于電路板原型設(shè)計(jì)和開發(fā)用途。Nano Dimension獨(dú)家的納米級(jí)銀質(zhì)導(dǎo)電材料AgCite以及PCB電路板3D設(shè)計(jì)軟件，能夠一次性生產(chǎn)混和導(dǎo)電(金屬)和絕緣(塑料聚合物)墨水材料的原型，精準(zhǔn)打印出完整且多層次的PCB特征，包含埋孔、鍍通孔的互連細(xì)節(jié)，且無(wú)須蝕刻、鉆孔、電鍍或破壞并在數(shù)小時(shí)內(nèi)即可完成。

DragonFly 2020 Pro 3D打印機(jī)目前已逐步被廣泛應(yīng)用于汽車產(chǎn)業(yè)和電子產(chǎn)品的電路板原型、概念樣品制作、設(shè)計(jì)驗(yàn)證和其他夾具測(cè)試上、封裝傳感器、導(dǎo)電幾何體、天線、模塑連接設(shè)備、穿戴式設(shè)備和其他創(chuàng)新設(shè)備。

可以折疊的手機(jī)，更輕巧的可穿戴設(shè)備，更集成的電子產(chǎn)品… …根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，3D打印技術(shù)正在推動(dòng)電子產(chǎn)品的全面發(fā)展，包括facebook, Intel等公司都在進(jìn)行這積極的研究工作，其中facebook獲得了“用于生成以模塊化方式組裝的電子器件的3D打印基板的方法”專利（US10099429B2)， Intel獲得了”芯片組件的模具側(cè)壁互連的方法“專利（US10199354B2）。

3D打印散熱器

而在3D打印散熱器方面，散熱性能限制了便攜式計(jì)算機(jī)、電力電子設(shè)備和大功率 LED 照明的小型化。來(lái)自實(shí)驗(yàn)室的高端技術(shù)解決方案通常不能滿足消費(fèi)產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)和部署。采用熱管理解決方案，比如工業(yè) 3D 打?。ㄋ^的增材制造）可以彌補(bǔ)差距，在可用空間嚴(yán)重受限的情況下也能保持有損電子設(shè)備的冷卻。由于設(shè)計(jì)自由，3D 打印熱管理組件提供與傳統(tǒng)制造組件相同或更高的效率，但需要的空間更少。這種制造技術(shù)可以應(yīng)用更大的表面、復(fù)雜的幾何形狀和保形冷卻通道。

在這方面，AM Metal、TheSys 和 EOS 聯(lián)手開發(fā)了一款新型游戲 CPU 散熱器，展示了熱管理的未來(lái)發(fā)展方向。而位于德國(guó)亞琛的iq-evolution公司，則是開發(fā)了與PCB集成在一起的散熱結(jié)構(gòu)(inboard cooler)，展示出借助3D打印可以獲得的令人驚嘆的創(chuàng)新潛力。

inboard cooler(內(nèi)置散熱功能的PCB)。來(lái)源：iq-evolution

inboard cooler(內(nèi)置散熱功能的PCB)的冷卻效果。來(lái)源：iq-evolution

來(lái)源：https://www.3ddayin.net/xinwenpindao/shendujiedu/39677.html