Dissipatore di calore processo di produzione di precisione Showdown: Mappa delle prestazioni di costo di estrusione, dente pala, pressofusione, forgiatura e CNC
In primo luogo, la selezione del processo determina il limite superiore delle prestazioni termiche
La resistenza termica finale di un dissipatore di calore è formata accoppiando la conducibilità termica del materiale (determinata dal materiale), l'area di trasferimento del calore convettivo (determinata dalla geometria) e la resistenza termica interfacciale (determinata dall'accuratezza della produzione). Il processo di produzione determina i gradi di libertà geometrici raggiungibili, l'accuratezza dimensionale e i livelli di difetti interni, con un conseguente effetto differenziale fino al 30% sulle prestazioni.
In secondo luogo, il processo di estrusione dell'alluminio: il re dell'efficienza, ma soggetto al rapporto di snellezza
L'estrusione di alluminio è la tecnica più antica ed economica per la produzione di dissipatori di calore. Dopo aver riscaldato l'asta di alluminio a 450-500 ° C, viene utilizzato un estrusore (di solito 500-5000 tonnellate di pressione di estrusione) per forzare il metallo a fluire attraverso lo stampo per formare una lunga striscia, che viene quindi tagliata alla lunghezza desiderata. I vantaggi del processo di estrusione sono: il costo dello stampo è relativamente basso (circa 2000-8000 dollari USA), forme asimmetriche complesse (come alette asimmetriche, piastre di base con scanalature) possono essere realizzate attraverso il design dello stampo e il tasso di utilizzo del materiale può raggiungere oltre il 95%.
Tuttavia, il processo di estrusione ha due limitazioni fondamentali sulle prestazioni dei dissipatori di calore: il limite del rapporto di snellezza e lo spessore minimo del dente. Il rapporto di snellezza (il rapporto tra altezza dell'aletta e spessore della radice) di solito non supera 20: 1. Se questo valore viene superato, il materiale di alluminio verrà piegato e strappato all'uscita dello stampo a causa di un raffreddamento irregolare. Ciò significa che se l'altezza dell'aletta deve essere di 60 mm, lo spessore non deve essere inferiore a 3 mm, il che limita gravemente l'area di dissipazione del calore per unità di volume. D'altra parte, lo spessore minimo del dente è limitato a 0.8-1 mm (a seconda della capacità della lega e dell'estrusore), che non può raggiungere il livello sottile del dente di 0,3 mm del processo del dente della pala. Pertanto, il dissipatore di calore di estrusione può servire solo scenari a bassa e media densità di potenza (consumo di calore)
In terzo luogo, il processo di taglio dei denti della pala: rompere l'aerodinamica del rapporto di snellezza
Denti della pala, noti anche come piallatura, taglio di precisione, alette "a pala" una per una da un singolo substrato metallico (alluminio o rame) attraverso strumenti a controllo numerico. Processo di lavorazione: una spatola speciale viene tagliata nel pezzo ad angolo, spinta in avanti per una distanza e quindi sollevata per formare un'aletta verticale; quindi il pezzo viene inserito in una distanza tra i denti e l'azione di cui sopra viene ripetuta. Lo spessore, l'altezza e la spaziatura delle alette sono controllati indipendentemente dalla geometria dell'utensile e dalla quantità di passo e non sono limitati dalla fluidità del materiale.
Il processo del dente della pala può raggiungere geometrie estreme con uno spessore del dente di 0.2-0 mm, una distanza tra i denti di 0.5-1 mm e un'altezza del dente di oltre 100 mm. Le alette e le piastre di base sono dello stesso materiale e non esiste un'interfaccia di saldatura o raccordo, quindi non vi è resistenza termica a contatto zero. Questa caratteristica è fondamentale negli scenari ad alta densità di potenza (come LED superiori a 100 W, moduli IGBT, stazione base 5G AAU). I dati sperimentali mostrano che a parità di volume e volume d'aria, la resistenza termica del radiatore del dente della pala è ridotta del 15-25% rispetto al radiatore di estrusione di alluminio e del 10-15% inferiore a quella del radiatore modellatore del dente (descritta più avanti).
Gli svantaggi in termini di costi dei denti a pala sono: gravi scarti di materiale (circa il 40% del metallo viene tagliato in trucioli), lunghi tempi di lavorazione (da pochi minuti a decine di minuti per pezzo) e usura estremamente rapida degli utensili (devono essere sostituiti più volte al mese). Inoltre, il processo del dente a pala richiede un'elevata rigidità della macchina utensile e generalmente deve essere eseguito su una fresatrice a portale pesante o una macchina speciale per denti a pala. Nel complesso, il costo di un singolo pezzo di denti a pala è 5-10 volte quello dell'estrusione, che è adatto per lotti di piccole e medie dimensioni e scenari di priorità di prestazioni.
IV. Processo di modellatura / rivettatura: basso costo per alta densità di alette
Lo shaper è un'aletta lunga, pre-estrusa o laminata che viene inserita meccanicamente (pressata, rivettata, incollata) in una scanalatura sulla piastra di base. Questa struttura "divisa" consente alle alette e alla piastra di base di essere realizzate con materiali diversi (ad es. piastra di base in rame + alette in alluminio) e lo spessore dell'aletta può essere fino a 0,3 mm e la spaziatura può essere fino a 1,0 mm. Il processo di modellatura ha un elevato utilizzo di materiale (le alette vengono estruse separatamente e la perdita è piccola) e non richiede costose spalatrici per denti su larga scala.
Ma il tallone d'Achille dello shaper è la resistenza termica di contatto. Non importa quanto sia alta la tenuta del raccordo, ci sono sempre spazi microscopici tra la radice dell'aletta e la piastra di base e la resistenza termica dello strato d'aria di questi spazi è centinaia di volte superiore a quella del metallo. Anche con il riempimento di colla termicamente conduttiva, la resistenza termica equivalente è ancora un ordine di grandezza superiore a quella della struttura integrata. In caso di elevato flusso di calore, verranno generati punti caldi locali allo shaper, con conseguente temperatura della radice dell'aletta molto superiore alla temperatura media della piastra di base e l'efficienza di trasferimento del calore diminuirà. La resistenza termica del radiatore shaper è di solito del 20-30% superiore a quella del dente della pala, quindi è più adatta per apparecchiature industriali con costi sensibili al calore e dissipazione moderata
Processo di pressofusione: l'unica soluzione a geometrie tridimensionali complesse
La pressofusione inietta leghe di alluminio fuse (come ADC12) in stampi metallici di precisione ad alta velocità per un rapido raffreddamento e formatura. La pressofusione può creare gusci di dissipazione del calore con complessi canali di flusso interni, supporti di forma speciale e persino inserti parziali. Ad esempio, il nuovo guscio del controller del motore del veicolo energetico è solitamente formato integralmente mediante pressofusione, con alette di dissipazione del calore integrate esterne e canali di raffreddamento ad acqua integrati interni. Un altro vantaggio della pressofusione è che la finitura superficiale è buona e può essere utilizzata senza successive elaborazioni.
Tuttavia, ci sono tre problemi intrinseci con i dissipatori di calore pressofusi: porosità (di solito 0.5-3%, riducendo la sezione trasversale della conducibilità termica effettiva), limitazioni dello spessore minimo del dente (a causa della condensazione sul fronte del flusso di metallo, lo spessore del dente deve essere> 1,2 mm) e inadatto per il rafforzamento del trattamento termico (i pori si espandono e si gonfiano ad alte temperature). Pertanto, la conducibilità termica dei dissipatori di calore pressofusi è generalmente bassa (ADC12 è solo 96 W / (m · K), molto inferiore a 6063 's 200). Per aumentare la conducibilità termica, è possibile selezionare leghe pressofuse ad alta conducibilità termica come DX17 (la conducibilità termica è di circa 180 W / (m · K)), ma il suo prezzo è significativamente aumentato. Gli stampi volumi di pressofusione sono estremamente costosi (2-100.000 $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$
Processo di forgiatura: proprietà meccaniche ottimali, ma limitazioni geometriche
Le barre di alluminio o rame sono formate dal flusso di plastica in uno stampo chiuso sotto grande pressione (da centinaia a migliaia di tonnellate). La forgiatura elimina i difetti di fusione, affina i grani e distribuisce le linee di flusso del metallo lungo i contorni geometrici della parte, in modo che la resistenza e la conducibilità termica siano migliori della fusione e il limite del rapporto di allungamento dell'estrusione possa essere evitato. La forgiatura a caldo (riscaldamento e riforgiatura del materiale) può formare forme complesse e la forgiatura a freddo (forgiatura a temperatura ambiente) ha una maggiore precisione. Per i dissipatori di calore, la forgiatura viene spesso utilizzata per realizzare dissipatori di calore con elevati requisiti meccanici o piccoli array di alette (come i dissipatori di calore della CPU del laptop).
La limitazione della forgiatura è che è difficile forgiare alette alte e dense (perché il materiale non può riempire completamente la cavità stretta e profonda), e di solito è adatto solo per alette con un'altezza inferiore a 30 mm e uno spessore superiore a 1,5 mm. La durata dello stampo è breve (in particolare lo stampo di forgiatura a freddo è soggetto a fessurazioni) e il costo di un singolo pezzo è secondo solo alla lavorazione di precisione CNC.
Sette, lavorazione di precisione CNC: il limite di precisione, ma il costo non è adatto per la produzione di massa
Il centro di lavoro CNC a cinque assi può fresare qualsiasi geometria complessa del radiatore dall'intero metallo. La tolleranza può essere controllata a ±0,02mm e la rugosità superficiale può raggiungere Ra0,8. Tuttavia, il suo tasso di rimozione del materiale è estremamente basso, l '80% del metallo diventa detriti e il tempo di lavorazione di un singolo pezzo è fino a diverse ore. Il costo è così alto che è adatto solo per l'aerospaziale, gli strumenti di misurazione di precisione e altri campi senza costi. Negli ultimi anni, con l'ottimizzazione delle strategie di fresatura ad alta velocità e di fresatura dinamica, alcuni piccoli lotti di dissipatori di calore ad alta densità hanno iniziato ad essere elaborati dal CNC, ma non può ancora sostituire la posizione di produzione efficiente e su larga scala dei denti della pala.
VIII. Matrice decisionale di selezione del processo
Pinna di processo spessore minimo snellezza massima contatto specifico resistenza termica batch economia perdita di conducibilità termica (rispetto al substrato)
Estrusione 0,8mm20: 1Zero (integrato) Eccellente 0%
Denti della pala 0,2mm80: 1Zero (integrato) Medio 0%
Lo shaper dell'ingranaggio da 0,3 mm non è limitato all'altezza, ma l'interfaccia è aggiuntiva
Pressofusione 1,2mm15: 1Zero (integrato) 30-40% (porosità)
Forgiatura 1,5mm10: 1Zero (integrato) differenza 0%
CNC illimitato illimitato zero (integrato) gamma 0%
IX. Riepilogo e Outlook
Guardando al futuro, è difficile che un singolo processo di produzione soddisfi tutte le esigenze. Una nuova tendenza è quella di mescolare i processi: ad esempio, substrati estrusi + alette dentate a pala (unite da saldatura o saldatura per attrito), o maglie metalliche stampate in 3D come strutture di dissipazione del calore (produzione additiva). Ma la stampa 3D è attualmente troppo costosa e la conduttività termica dell'alluminio stampato è significativamente ridotta a causa dei pori e dei grani grossi (solo circa 120 W / (m · K)). La vera saggezza ingegneristica sta nella scelta della giusta combinazione di processi in base al consumo di calore specifico, ai vincoli di volume, agli obiettivi di costo e capacità dell'applicazione, piuttosto che superstiziosa su un processo "one-size-fits-all".
BQUQ è un produttore professionista del dissipatore di calore del metallo, prego ci invia i disegni e la nostra società vi citerà entro 12 ore.
