液体冷板制造成本司机

使用不同技术对液态冷板制造的影响

液体冷板价格可以变化很大;了解为什么可以帮助您削减成本并仍然获得正确兑现应用程序所需的性能。冷板制造中的两个最大成本司机是热性能要求和年需求，这通常是热工程师和制造工程师几乎没有控制。然而，您可以通过了解粗糙度，平坦度，硬度，表面形貌，安装功能和液体连接规格来降低成本，所有都会影响冷板的成本。通过在设计过程中提前涉及冷板制造商，您将能够识别制造成本司机，并选择最具成本效益的设计。

大多数冷板由铝制成，但一些新技术使用铜。虽然铜的导热性更好，但铝的使用更频繁，因为它通常更便宜，更轻，更容易处理。加工铜是非常困难和昂贵的。如果铝符合热性能规范，一般是最好的使用材料。

两种最流行的铝冷板技术是管状和真空钎焊(见图1)。管状冷板通常是铜管或不锈钢管挤压成槽状铝挤压。它们具有成本效益，并为低至中瓦密度提供良好的散热清除。真空钎焊冷板由两块金属结合在一起的内部翅片组成。它们可提供所有尺寸和极高的性能，使其成为热负荷集中的应用的理想选择。管式和真空钎焊冷板技术的劳动时间都很有限。出于这个原因，美国冷板制造商往往在适度产量方面与海外制造商具有竞争力。离岸采购降低的劳动力成本通常被运输和海关成本抵消，以及与长运输时间相关的额外库存。离岸储蓄的门槛通常是每年大约1万个或更多的冷板。

铝冷板的最大成本司机，在上述那些之后，是加工时间和额外的处理步骤。冷板制造商通常具有与加工时间相关的成本，涵盖机器，电源，供应和维护的折旧成本。因此，冷板坐在机器中越长，它的越高越高。每个额外的处理步骤继续推动成本。

铝型材和铸件

为了减少加工时间和降低成本，最好尽量使用挤压和铸造。挤压是通过推动金属通过模具来产生具有固定横截面的物体。用于新挤压的模具相对便宜，挤压尺寸限制在约9英寸(22.86厘米)宽。挤压壁厚需要相对一致，任何通道或特征需要是直的。

你的制造商也可以使用挤压和机械加工的组合来降低成本。可以对一些特征进行挤压，然后对更复杂的特征进行机械加工。另一个选择的原型目的是机器的冷板较低的数量，然后，一旦设计被证明和固定，使模具挤压。这将有助于保持挤压成本下降，如果你设计板与挤压的特点在心里。

另一种选择是将铸造和机械加工结合起来制造冷板。例如，如果铸件不够平整，则需要进行二次操作，使冷板达到所需的平整度规格。需要注意的是，砂型铸件不是真空钎焊冷板的选择，因为大多数合金的熔化温度低于真空钎焊温度。它们的使用被严格限制在管状冷板上。建议获取两种生产工艺的报价并权衡利弊。

通常，挤出或铸造的最小购买量高，因此您需要合适的应用程序，以便使用这些流程证明。挤压和铸件都可以提供显着的成本节省。

表面粗糙度

可以增加几乎没有影响性能的大量成本的要求是表面粗糙度（完成）。冷板上的粗糙度是表面上导致热转印表面上不均匀的不等式，脊或突起。与某些信仰相反，粗糙度对冷板的热性能影响相对较小。（见图2）。在大多数应用中，在冷板和部件之间存在小于10％的表面到表面触点或超过90％的空气间隙。平滑的表面只会略微降低空气隙的百分比。

一个典型的加工冷板的表面光洁度为32-64µin(81-163µcm)，这足以满足大多数应用。使用标准加工中心可以将粗糙度降低到16µin(41µcm)，但这需要更严格的夹具，以减少任何潜在的颤振、较慢的速度和加工头的进给。(速度是刀具头旋转的速度，进给是机床头穿过冷板的速度。)降低速度和进给量意味着更长的加工中心时间，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)，以帮助最小化间隙。TIM应该尽可能的薄，因为TIM相对较高的热电阻大大掩盖了任何从光滑表面改善的导电性。增加组件或板对冷板的夹紧力也有助于抵消较高的粗糙度，但它可能增加板或板上的应力。夹紧应力还可以增加热膨胀系数(CTE)不匹配的影响，因为冷板和组件或板加热。

表面平面度

由于冷板不平坦，表面平坦度与表面粗糙度相比，对冷板的热性能产生更多影响，因为如果冷板不平坦，则接触面积大大减少（见图2）。标准平坦度规格为0.001英寸/英寸（0.003厘米/厘米）。因此，在测量点的一英寸内，冷板的最低点不会超过0.001英寸（0.003厘米），低于最高点。如果您的规格要求平坦度优于0.001英寸/英寸（0.003厘米/厘米），则节省资金的一种方式是指定局部平坦度，而不是整个板上的紧密平坦度。例如，如果在冷板上安装多个绝缘栅极双极晶体管（IGBT），并且每个IGBT在整个底板上都需要0.001英寸/英寸（0.003cm / cm），为单个IGBT指定局部平坦度，而不是需要整板是非常平的。

冷板的压平过程通常需要一台液压机。可采用脱脂切削来提高平整度。通过撇削切割，机床确定冷板的最低点，并在最低点撇去非常少的金属，在较高的区域尽可能多的金属，以达到平面。虽然撇削一块铝很容易，但撇削真空钎焊冷板或管状冷板的管侧就比较困难。管式冷板中的真空钎焊冷板和管的冷却表面通常很薄，以优化热性能。如果冷板不平坦，撇削切口可能太深，壁将变薄，可能变得太弱，无法保持压力，甚至破裂。或者，您可以从较厚的冷板开始，以消除泄漏的可能性，但您将牺牲一些性能。

表面形貌

最小化表面形貌对于降低成本也很重要，特别是对于电路板应用。复杂的表面形貌通常需要从一块厚铝块开始，然后加工掉不需要的铝块。这导致原材料成本高，加工时间长。如果不能消除地形，在板上捆绑类似高度的部件可以降低加工要求。

硬度

加工后，铸造，挤出或真空钎焊冷板非常柔软，通常具有T0硬度。必须硬化冷板，因为软铝非常难以机和手柄。从T0到T4硬度，冷板必须热处理。热处理过程涉及将冷板达到1000°F（538°C），让它在其最厚点处静置约1小时的冷板厚度，然后通过冷却下来热震动它很快（见图3）。冷却冷板下来的一种方法是将其直接从炉子中掉落到水浴中。将冷板从T4取出到T6，冷板必须是人工老化的。这是通过使冷板位于300°F-400°F（149℃-204℃）8-16小时来实现的。T6提供具有高抗拉强度的非常硬的冷板，这是军事和航空航天应用中的典型要求。然而，对于大多数应用程序，T4足够硬，并且指定T6只会增加不必要的成本。

安装特点/孔

冷板制造中另一个增加成本的因素是孔的增加。一个洞可能会使冷板的成本增加3美元。钻孔增加成本的主要原因之一是不能在流体路径上钻洞。因此，对于管式冷板，需要在管中做一个弯管以适应孔，每一次弯管都增加成本。对于真空钎焊冷板，必须在流体路径中形成一个岛，这也意味着对内部翅片进行电火花加工(EDM)，这将增加相当多的加工时间和成本。

有几种类型的洞。一种是通孔，从冷板的一边通到另一边。第二种类型是有螺纹的攻丝孔。由于铝相对较软，如果零件或板经常更换，螺纹孔的使用寿命有限。对于螺纹孔，螺旋油常被使用。螺旋油是一种坚固的钢制插入件，用于可能频繁更换部件的应用场合，增加螺纹的强度。通孔由单一的钻孔过程产生，而攻丝孔需要在同一机器上安装额外的工具。螺旋油的安装需要一个丝锥孔，螺旋油的安装本身在加工中心外完成。总而言之，通孔是最便宜的，螺旋螺旋是最昂贵的。

孔的位置和间距公差太紧也会提高成本。合理的公差规格为±0.005英寸(±0.013厘米)。与平面度一样，在可能的情况下指定局部公差将降低成本。对于大的冷板，孔之间的距离相对较远，公差就更难维持。一个原因是，机床公差增加，因为头有更远的距离，以旅行。另一个原因是，机械车间可能存在高达18°F(10°C)的热梯度，这可以使冷板扩大或收缩多达0.005英寸(±0.013厘米)。通孔是最容易指定更紧公差的，因为创建通孔只需一个工具操作，而丝锥孔不太容易公差，因为制造它们需要两个工具。螺旋油是最难公差的，因为工艺需要一个丝锥孔和螺旋油本身有一个公差。所有的公差加起来，使得制造更加困难和昂贵。避免小的攻丝孔也有助于降低成本。 Hole sizes of 4-40 or smaller become difficult to tap as the taps can break while drilling. In order to minimize this problem, the machine must run much slower. One way to counter tight tolerances requirements on a cold plate is to increase the size of the mounting holes in the component or board.

液体的连接

对于液体连接，直螺纹o形环内孔通常效果最好。除了焊接系统外，它以最低的成本提供了最佳的密封。管道连接，如NPT配件，不提供零件所需的精度，如冷板。在真空钎焊冷板上，应避免使用男性配件，如倒刺或珠状配件，因为它需要另一个操作，如焊接来连接配件。此外，超出冷板范围的配件在运输过程中需要保护，这可能会增加包装成本。只有在必要时才应该使用快速断连，因为每双的价格高达750美元。需要频繁更换的冷板或电子设备需要快速断开。对于已经装了冷却液的冷板也需要它们。对于液体连接，另一个需要考虑的是端口公差。通常进来的管道有一些弹性。 A reasonable tolerance is between ±0.030 inch (0.076 cm) and ±0.060 inch (0.152 cm).

设计与制造伙伴关系

在冷板设计的早期就与冷板制造商合作，或者在制作印刷设计时灵活变通，可以最大限度地节省成本。尽管冷板制造的两个最大成本驱动因素是热性能要求和年需求，但还有许多其他因素是热工程师和/或组件工程师可以控制的。确保每一种规格都有一个原因，因为每一种规格都可能推高成本，这将有助于降低成本。确定是否需要粗糙度、平整度、表面形貌、硬度、安装特性和孔以及液体连接规格是很重要的。此外，重要的是要认识到，不仅在设计上，而且在使用的制造过程中，有许多替代方案，这可以节省数百甚至数千美元的制造成本。