防止半導(dǎo)體過熱，深入了解亞琛3D打印高效的微型散熱器

魔猴君  行業(yè)資訊   1354天前

近年來，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)域扮演越來越重要的角色。據(jù)公開文獻(xiàn)調(diào)查，電子產(chǎn)品的熱管理是一個(gè)價(jià)值100億美元的市場，并且是該技術(shù)的潛在受益者。

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，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。

IQ-Big 53 3D打印冷卻器（在圖像右側(cè)）用于組裝兩個(gè)Semitop模塊©亞琛 IQ-evolution

為批量生產(chǎn)而設(shè)計(jì)的冷卻器

在電子器件散熱方面，來自德國亞琛的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。

如果只有很小的空間可用來散發(fā)功率半導(dǎo)體的熱量損失，那么這正是亞琛的IQ-evolution公司開發(fā)的微型冷卻器的用途。

主動(dòng)散熱與被動(dòng)散熱

自2006年以來，來自德國亞?。?/span>Aachen）的IQ-evolution公司通過PBF激光粉末床融化工藝（簡稱LPBF0也稱為選區(qū)激光熔化）來加工微型冷卻器。通過激光束在粉末床上一層一層地形成內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)，從而創(chuàng)建非常復(fù)雜的組件，而無需使用其他模具。

Part_Cooling_Fraunhofer_2將IQ Big 53冷卻器擰到兩個(gè)Semitop模塊上（雙層包裝的尺寸：60 mm x 55 mm x 24 mm（HxWxD）），重量約為100克。 ©亞琛 IQ-evolution

3D打印的不銹鋼散熱器早已進(jìn)入電子開發(fā)實(shí)驗(yàn)室，據(jù)了解，在冷卻性能和冷卻組件的功率輸出方面，所有最先進(jìn)的SiC組件（由碳化硅制成的功率半導(dǎo)體）應(yīng)用領(lǐng)域，都獲得了令人印象深刻的結(jié)果。這些SiC元件能夠以97％到99％的效率傳輸非常高的功率。產(chǎn)生的熱量損失的可靠散逸決定了功率電子設(shè)備的性能。

除了使用主動(dòng)散熱元件外，被動(dòng)元件最近也成為亞琛的關(guān)注焦點(diǎn)。在這里，例如對(duì)于大電流線圈，對(duì)冷卻的需求也在增加。通過3D打印可以提供合適的解決方案，例如厚度為0.8毫米的薄壁，使得總有用于冷卻插件的空間。

通過這種散熱器也可以可靠地并且以節(jié)省空間的方式實(shí)現(xiàn)用于車輛傳感器數(shù)據(jù)的圖形處理的芯片的冷卻。通常即使不顯著改變封閉外殼也是如此。

據(jù)了解，亞琛正在研究的另一個(gè)解決方案是電源導(dǎo)軌冷卻，母線以高電流連接功率電子設(shè)備中的組件。在此，必須有效地消除導(dǎo)體內(nèi)部以及接觸點(diǎn)處的電阻所產(chǎn)生的多余熱量。亞琛目前通過3D打印技術(shù)為這個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域開發(fā)合適的解決方案。

 金屬及其導(dǎo)熱系數(shù)

為了實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，據(jù)悉，亞琛IQ Evolution開發(fā)團(tuán)隊(duì)致力于對(duì)小型結(jié)構(gòu)進(jìn)行金屬3D打印。對(duì)于散熱器的應(yīng)用來說，就其導(dǎo)熱性而言，所使用的材料（不銹鋼1.4404）將遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于銅和鋁。例如，IQ-Big 53使用的是1.4404不銹鋼粉末。不過考慮到要散發(fā)的熱量僅需要覆蓋大約50毫米的距離，采用不銹鋼是足夠的。

還必須考慮冷卻類型：對(duì)于具有良好導(dǎo)熱性的材料，目的是要具有盡可能大的表面以實(shí)現(xiàn)熱交換。亞琛IQ Evolution開發(fā)的冷卻器所使用的原理是不同的，在此以有針對(duì)性的方式產(chǎn)生湍流，以便將熱量帶走。而與這種類型的冷卻完全無關(guān)的是，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的材料是什么。關(guān)于熱傳導(dǎo)，它們無論如何都不參與熱交換。

從工作原理的角度來理解，3D科學(xué)谷發(fā)現(xiàn)亞琛IQ Evolution開發(fā)的冷卻器或許被成為湍流器更為合適。而人工智能在開發(fā)中也起到了關(guān)鍵作用，最終，這些湍流器是通過人工智能進(jìn)行復(fù)雜的優(yōu)化而開發(fā)出來的。

亞琛IQ Evolution開發(fā)的冷卻器產(chǎn)品組合中的一種產(chǎn)品是一種嵌入式冷卻器（散熱器）。這些電源模塊具有不同的名稱，例如Easypack或Flow。根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，亞琛工業(yè)大學(xué)（ISEA）的電力電子和電氣驅(qū)動(dòng)研究所使用這種散熱裝置進(jìn)行雙向冷卻，已證明在實(shí)際環(huán)境中每側(cè)的冷卻能力為700 W，即每臺(tái)冷卻器的總冷卻能力為1.4 KW。

一個(gè)成功的應(yīng)用案例是將IQ-Big 53系列冷卻器用在汽車版本中，在100 mbar的壓差下實(shí)現(xiàn)了2.2 l / min的流量（低壓損失，高流量）。這已經(jīng)足以實(shí)現(xiàn)上述的冷卻性能。與此同時(shí)，IQ-Big 53重量很輕，因?yàn)樗鼉H重33克。

 冷卻器的批量生產(chǎn)和價(jià)格

重量輕表明，IQ-Big 53從設(shè)計(jì)階段就開始為批量生產(chǎn)而設(shè)計(jì)。通過優(yōu)化重量，使用激光工藝熔化的粉末更少，與傳統(tǒng)的散熱器相比，這也導(dǎo)致了巨大的價(jià)格差異。組件的價(jià)格隨制造工廠的壽命而定。不需要設(shè)置的東西一開始不會(huì)花費(fèi)任何費(fèi)用。對(duì)于同時(shí)制造的許多組件，成本會(huì)相應(yīng)地分配，用戶將從中受益。

模塊化的高效的冷卻方法意味著可以省去昂貴的單個(gè)組件（例如SiC-MOSFET），只要技術(shù)設(shè)計(jì)允許這樣做即可。以下示例：根據(jù)應(yīng)用需求，將冷卻十二個(gè)功率模塊，這些功率模塊可提供210 kW的總電功率。這需要使用冷卻板的4.2 kW的冷卻能力。

IQ的解決方案：憑借每側(cè)700 W的冷卻能力和兩側(cè)的裝備，僅需在三個(gè)IQ Big 53冷卻器上的六個(gè)模塊即可提供210 kW的所需輸出，例如，使用制造商Semikron的Semitop模塊。

節(jié)省的成本：整個(gè)系統(tǒng)的整體體積小得多，重量從10公斤左右減少到500克以下，這減少了20倍，還可以計(jì)算出將所需模塊數(shù)量減半將足以補(bǔ)償三個(gè)冷卻器的任何額外價(jià)格。此外，亞琛的解決方案還具有減輕重量和體積的優(yōu)點(diǎn)。

優(yōu)化的3D打印冷卻器用于線軸冷卻，帶有集成的接觸襯套。 ©亞琛 IQ-evolution

市場還提供完全可以滿足批量生產(chǎn)所需功能的機(jī)器-每月可能有多達(dá)100,000個(gè)零件的大批量生產(chǎn)。這種3D打印系統(tǒng)具有高度的自動(dòng)化mation下游測試和處理過程也可以完全自動(dòng)映射，從而可以按相應(yīng)的采購數(shù)量進(jìn)行整個(gè)生產(chǎn)。

 特殊合金和新金屬組合

根據(jù)解決方案要求，可以將各種金屬和金屬合金用于3D打印過程中的冷卻器。關(guān)于耐熱性、熱導(dǎo)率和冷卻能力，熱膨脹或電導(dǎo)率的要求對(duì)于所使用的材料是決定性的。如有必要，可使用特殊合金或什至新開發(fā)的金屬組合。也可以生產(chǎn)由多種材料組成的混合組件。

根據(jù)所使用的冷卻器材料，壁厚可能約為80 μm。通常的方法可用于表面精加工和金屬化。特別是在熱管理領(lǐng)域，為了滿足產(chǎn)品要求，優(yōu)化流量控制，微結(jié)構(gòu)和材料性能至關(guān)重要。

基本上，LPBF工藝具有原型構(gòu)造和靈活性方面的優(yōu)勢，幾乎具有無限的設(shè)計(jì)自由度。不過目前的LPBF機(jī)器是為大型組件而設(shè)計(jì)的，因此伴隨著較大的層厚度和較大的激光聚焦。兩者均不適用于構(gòu)建功率冷卻器所需的那種小型結(jié)構(gòu)。

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