防止半導體過熱，深入了解亞琛3D打印高效的微型散熱器

魔猴君  行業資訊   1317天前

近年來，由于電子元器件及其應用產品的飛速發展，熱損耗與熱安全問題日益凸顯，電子產品散熱器作為散熱功能性部件，在電子產品應用領域扮演越來越重要的角色。據公開文獻調查，電子產品的熱管理是一個價值100億美元的市場，并且是該技術的潛在受益者。

而3D打印在推動散熱器結構復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品趨向緊湊型、高效性、模塊化、多材料的發展趨勢，特別是用于異形、結構一體化、薄壁、薄型翅片、微通道、十分復雜的形狀、點陣結構等加工，3D打印具有傳統制造技術不具備的優勢。

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

為批量生產而設計的冷卻器

在電子器件散熱方面，來自德國亞琛的IQ-evolution公司，則是開發了與PCB集成在一起的散熱結構(inboard cooler)，展示出借助3D打印可以獲得的令人驚嘆的創新潛力。

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

主動散熱與被動散熱

自2006年以來，來自德國亞琛（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部復雜結構，從而創建非常復雜的組件，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入電子開發實驗室，據了解，在冷卻性能和冷卻組件的功率輸出方面，所有最先進的SiC組件（由碳化硅制成的功率半導體）應用領域，都獲得了令人印象深刻的結果。這些SiC元件能夠以97％到99％的效率傳輸非常高的功率。產生的熱量損失的可靠散逸決定了功率電子設備的性能。

除了使用主動散熱元件外，被動元件最近也成為亞琛的關注焦點。在這里，例如對于大電流線圈，對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省空間的方式實現用于車輛傳感器數據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。

據了解，亞琛正在研究的另一個解決方案是電源導軌冷卻，母線以高電流連接功率電子設備中的組件。在此，必須有效地消除導體內部以及接觸點處的電阻所產生的多余熱量。亞琛目前通過3D打印技術為這個應用領域開發合適的解決方案。

 金屬及其導熱系數

為了實現批量生產，據悉，亞琛IQ Evolution開發團隊致力于對小型結構進行金屬3D打印。對于散熱器的應用來說，就其導熱性而言，所使用的材料（不銹鋼1.4404）將遠遠落后于銅和鋁。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：對于具有良好導熱性的材料，目的是要具有盡可能大的表面以實現熱交換。亞琛IQ Evolution開發的冷卻器所使用的原理是不同的，在此以有針對性的方式產生湍流，以便將熱量帶走。而與這種類型的冷卻完全無關的是，內部結構的材料是什么。關于熱傳導，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科學谷發現亞琛IQ Evolution開發的冷卻器或許被成為湍流器更為合適。而人工智能在開發中也起到了關鍵作用，最終，這些湍流器是通過人工智能進行復雜的優化而開發出來的。

亞琛IQ Evolution開發的冷卻器產品組合中的一種產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3D科學谷的了解，亞琛工業大學（ISEA）的電力電子和電氣驅動研究所使用這種散熱裝置進行雙向冷卻，已證明在實際環境中每側的冷卻能力為700 W，即每臺冷卻器的總冷卻能力為1.4 KW。

一個成功的應用案例是將IQ-Big 53系列冷卻器用在汽車版本中，在100 mbar的壓差下實現了2.2 l / min的流量（低壓損失，高流量）。這已經足以實現上述的冷卻性能。與此同時，IQ-Big 53重量很輕，因為它僅重33克。

 冷卻器的批量生產和價格

重量輕表明，IQ-Big 53從設計階段就開始為批量生產而設計。通過優化重量，使用激光工藝熔化的粉末更少，與傳統的散熱器相比，這也導致了巨大的價格差異。組件的價格隨制造工廠的壽命而定。不需要設置的東西一開始不會花費任何費用。對于同時制造的許多組件，成本會相應地分配，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組件（例如SiC-MOSFET），只要技術設計允許這樣做即可。以下示例：根據應用需求，將冷卻十二個功率模塊，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700 W的冷卻能力和兩側的裝備，僅需在三個IQ Big 53冷卻器上的六個模塊即可提供210 kW的所需輸出，例如，使用制造商Semikron的Semitop模塊。

節省的成本：整個系統的整體體積小得多，重量從10公斤左右減少到500克以下，這減少了20倍，還可以計算出將所需模塊數量減半將足以補償三個冷卻器的任何額外價格。此外，亞琛的解決方案還具有減輕重量和體積的優點。

優化的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所需功能的機器-每月可能有多達100,000個零件的大批量生產。這種3D打印系統具有高度的自動化mation下游測試和處理過程也可以完全自動映射，從而可以按相應的采購數量進行整個生產。

 特殊合金和新金屬組合

根據解決方案要求，可以將各種金屬和金屬合金用于3D打印過程中的冷卻器。關于耐熱性、熱導率和冷卻能力，熱膨脹或電導率的要求對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的金屬組合。也可以生產由多種材料組成的混合組件。

根據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。特別是在熱管理領域，為了滿足產品要求，優化流量控制，微結構和材料性能至關重要。

基本上，LPBF工藝具有原型構造和靈活性方面的優勢，幾乎具有無限的設計自由度。不過目前的LPBF機器是為大型組件而設計的，因此伴隨著較大的層厚度和較大的激光聚焦。兩者均不適用于構建功率冷卻器所需的那種小型結構。

來源：