液冷板制造成本动因

在液冷板制造中使用不同技术的影响

液冷板价格可能相差巨大;了解我们为什么能够在帮助您降低成本的同时让您仍能获得适当冷却应用所需的性能。冷板制造中两个最大的成本动因是热性能需求和年需求量,通常而言,热力工程师和制造工程师几乎或完全无法控制这两者。但是,您可以通过了解粗糙度、平整度、硬度、表面形貌、安装特征和液体连接规格对冷板成本有何影响来降低成本。通过在设计过程中尽早让冷板制造商参与进来,您将能够确定制造成本动因并选择最具成本效益的设计。

图1:真空钎焊液冷板

大多数冷板由铝制成,但一些新技术使用铜。尽管铜具有更好的导热性,但铝的使用更为广泛,因为铝通常更便宜、更轻且更易操作。对铜进行机加工非常困难且昂贵。一般而言,如果铝符合热性能规格,将是最佳的使用材料。

两种最流行的铝冷板技术是管式和真空钎焊式(见图1)。管式冷板通常是压入槽形铝型材的铜管或不锈钢管,具有成本效益并且针对中低功率密度提供良好的整体散热。真空钎焊式冷板由两块与内部翅片冶金结合在一起的板组成。该冷板可提供各种尺寸规格,具有极高的性能,因此是热负荷集中的应用的理想选择。管式和真空钎焊式冷板技术涉及的人工时间都很有限。因此,在订购量不大的情况下,美国的冷板制造商往往可与海外制造商竞争。海外采购所节约的劳动力成本通常被运输和海关成本以及由运输时间长造成的库存增加所抵销。海外成本节约的阈值数量通常为每年约10,000个冷板或以上。

除上文提及的因素外,铝冷板最大的成本动因是加工时间和额外的加工步骤。冷板制造商通常会产生与加工时间相关的成本,包括机器的折旧费用、电源、耗材和维护费用。因此,冷板在机器中的放置时间越长,成本就越高。每个额外的加工步骤都会进一步增加成本。

挤出与压铸

为了最大程度地减少加工时间并降低成本,应尽可能使用挤出和压铸工艺。挤出是指通过推动金属穿过模具来产生具有固定横截面的物体。用于新挤出件的模具相对便宜并且挤出尺寸限制在约9英寸(22.86厘米)宽。挤出壁厚必须相对一致,并且任何槽道或部件都必须平直。

您的制造商还可以结合使用挤出和机加工来降低成本。可以对某些部件进行挤出,然后加工更复杂的部件。对于样品设计,另一种方案是加工少量冷板,然后在设计通过验证和确认之后,制造用于挤出的模具。如果您在设计冷板时考虑到挤出部件,这将有助于降低挤出成本。

另一个方案是结合采用压铸和机加工来制造冷板。例如,如果压铸件不够平整,则需要进行二次加工以使冷板达到所需的平整度规格。必须要注意,真空钎焊式冷板不能选择砂型铸造,因为所使用的大多数合金的熔化温度都低于真空钎焊温度。其使用仅限于管式冷板。建议获得这两种生产工艺的报价并权衡利弊。

通常,挤出或压铸的最小起订量很大,因此您需要针对适当的应用选择使用这些工艺。挤出和压铸均可显著节省总体成本。

图2:表面平整度和粗糙度示例图

表面粗糙度

会增加大量成本而对性能几乎没有影响的一项需求是表面粗糙度(光洁度)。冷板上的粗糙度是指表面上导致热传递表面不平整的不平处、隆起或凸起。与一些观点相反,粗糙度对冷板散热性能的影响相对较小。(见图2)。在大多数应用中,冷板与组件之间存在小于10%的表面间接触或大于90%的气隙。较光滑的表面只能略微减少气隙百分比。

典型的机加工冷板的表面光洁度为32-64 µin(81-163 µcm),这对于大多数应用是足够的。使用标准机加工中心可将粗糙度降至16 µin(41 µcm),但是这需要更牢固的夹具以减少任何可能出现的颤动,并降低加工头的速度和进给速度。(速度是指切削工具头旋转的速度,进给速度是指加工头在冷板上移动的速度。)降低速度和进给速度会导致加工时间延长,从而增加成本。

大多数应用在组件或板与冷板之间使用热界面材料(TIM),以帮助将间隙降到最低。TIM应尽可能薄,因为TIM相对较高的热阻远远超过了更光滑的表面所带来的更高导热性。提高组件或板对冷板的夹紧力也有助于抵消较高的粗糙度,但它可能会增加板或组件上的应力。随着冷板和组件或板升温,夹紧应力还会增加热膨胀系数(CTE)错配的影响。

表面平整度

表面平整度比表面粗糙度对冷板的热性能影响更大,因为如果冷板不平整,则接触面积大大减小(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,在测量点的一英寸范围内,冷板的最低点与最高点相差不会超过0.001英寸(0.003厘米)。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),则节省成本的一种方法是指定局部平整度而不是整个板上的严格平整度。例如,如果要在冷板上安装多个绝缘栅双极型晶体管(IGBT),并且每个IGBT在整个基板上需要达到0.001英寸/英寸(0.003 厘米/厘米)的平整度,则应为单个IGBT指定局部平整度,而不是要求整个板达到极高的平整度。

冷板的压平过程通常涉及液压机。可以使用刮削提高平整度。利用刮削,机床将确定冷板的最低点,并刮除最低点处的极少量金属,以及较高区域处尽可能多的金属以获得平整表面。尽管对铝块进行刮削非常容易,但对真空钎焊式冷板或管式冷板的管侧进行刮削却较为困难。为了优化散热性能,真空钎焊式冷板和管式冷板中管的冷却表面通常较薄。如果冷板不平整,则刮削可能过深,导致壁变薄,从而可能变得过于脆弱而无法承受压力,甚至会破裂。您也可以从较厚的冷板开始,以消除泄漏的可能性,但是会牺牲一些性能。

表面形貌

使表面形貌最小化对于降低成本也很重要,特别是对于板应用而言。复杂的表面形貌一般需要从厚铝块开始并去除不需要的铝。这导致原材料成本较高且加工时间过长。如果无法消除形貌,则使高度相似的组件在板上成束可以降低加工需求。

硬度

压铸、挤出或真空钎焊式冷板在加工后非常柔软,通常硬度仅为T0。由于软铝很难加工和处理,因此必须硬化冷板。为了将硬度从T0提高到T4,必须对冷板进行热处理。热处理过程涉及使冷板升至1000°F(538°C),将其在该温度下放置约1小时/英寸冷板厚度(最厚点),然后通过使其迅速冷却来对其进行热冲击。(见图3)。冷却冷板的一种方式是将其直接从熔炉中取出并放入水浴中。为了使冷板硬度从T4提高到T6,必须对冷板进行人工老化。这通过将冷板在300°F-400°F(149°C-204°C)下放置8-16小时来实现。硬度达到T6的冷板非常坚硬并且具有高抗拉强度,这是军事和航空航天应用的典型要求。但对于大多数应用而言,硬度达到T4已足够,选用T6硬度只会增加不必要的成本。

图3:钎焊炉中的热处理液冷板

安装特征/孔

冷板制造中另一个成本增加因素是孔的增加。一个孔可能使冷板成本增加多达3美元。孔使成本增加的主要原因之一是无法在流体路径中打孔。因此,对于管式冷板,需要在管中制造弯曲部分以容纳孔,并且每制造一个弯曲部分都会增加成本。对于真空钎焊式冷板,必须在流体路径中创建岛,这也意味着要对内部翅片进行放电加工(EDM)。这会极大地增加加工时间,并导致成本上升。

有若干种类型的孔。一种是通孔,从冷板的一侧贯穿到另一侧。第二种是有螺纹的螺纹孔。由于铝相对较软,如果频繁更换组件或板,会缩短螺纹孔的寿命。针对螺纹孔,往往会使用螺纹护套。螺纹护套是坚固的钢制插入件,可为可能需要频繁更换组件的应用增加螺纹强度。通孔只需一种钻孔工艺即可制作,而螺纹孔则需要在同一台机床上安装额外的刀具。螺纹护套需要有螺纹孔以便进行安装,并且螺纹护套的安装是在加工中心之外完成的。总而言之,通孔的成本最低,螺纹护套成本最高。

孔位置和间距的严格公差也会增加成本。合理的公差规格为±0.005英寸(±0.013厘米)。与平整度一样,在可能的情况下指定局部公差可降低成本。对于孔间距相对较远的大型冷板,公差更加难以保持。一个原因在于,由于刀头的行进距离增加,机床公差也会增加。另一个原因在于,机械车间内可能存在高达18°F(10°C)的热梯度,这会使冷板膨胀或收缩多达0.005英寸(±0.013厘米)。通孔最容易指定更严格的公差,因为通孔是利用一种刀具制作的,而螺纹孔的公差不那么容易实现,因为制作螺纹孔需要使用两种刀具。螺纹护套的公差最难实现,因为过程需要螺纹孔,而螺纹护套本身也具有公差。所有的公差加起来使制造更加困难且成本更高。避免小螺纹孔也有助于降低成本。4-40或更小尺寸的孔难以攻丝,因为丝锥会在钻孔过程中断裂。为了最大程度地减少该问题,必须极大地降低机床的运行速度。应对冷板上严格的公差要求的一种方式是增加组件或板中安装孔的尺寸。

液体连接

对于液体连接,直螺纹O型垫圈凹口通常效果最佳。除了焊接系统以外,它可以最低的成本提供最佳密封。管道连接(例如NPT配件)不能提供诸如冷板等组件所需的精度。对于真空钎焊式冷板,应避免使用外螺纹配件,例如倒刺或珠状配件,因为这需要进行额外加工(例如焊接)来连接配件。另外,在运输过程中需要保护伸到冷板之外的配件,这可能会增加包装成本。快卸锁应仅在必要时使用,因为每对的成本可能高达750美元。需要经常更换的冷板或电子设备必须使用快卸锁。对于运输时已经装有冷却液的冷板,也需要使用快卸锁。对于液体连接,另一个考虑因素是端口公差。通常,进液管具有一定的弹性。合理的公差范围在±0.030英寸(0.076厘米)至±0.060英寸(0.152厘米)之间。

设计与制造合作伙伴

在冷板设计的早期阶段与冷板制造商合作或者灵活地根据设计制造,可以最大限度地节省成本。尽管冷板制造中两个最大的成本动因是热性能需求和年需求量,但也有许多其它因素可由热力和/或组件工程师决定。确保每个规格都有采用的理由,因为每个规格都可能增加成本,这将有助于降低成本。确定何时需要粗糙度、平整度、表面形貌、硬度、安装特征和孔以及液体连接规格非常重要。另外,要认识到,不仅设计有许多替代方案,所使用的制造工艺也是如此,这可以节省数百甚至数千美元的制造成本。

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