液体冷板制造成本动因

不同技术在液体冷板制造中的影响

液态冷板的价格可以相差不少;了解原因可以帮助您降低成本，同时获得适当冷却应用程序所需的性能。冷板制造的两个最大成本驱动因素是热性能要求和年度需求，这通常是热工程师和制造工程师很少或根本无法控制的。然而，通过了解粗糙度、平整度、硬度、表面形貌、安装特性和液体连接规范如何影响冷板的成本，可以降低成本。通过让冷板制造商尽早参与设计过程，您将能够识别制造成本的驱动因素，并选择最具成本效益的设计。

大多数冷板由铝制成，但有些新技术使用铜。虽然铜具有更好的导热系数，但铝的使用更常用，因为它通常更便宜，更轻，更容易使用。加工铜非常困难且昂贵。如果铝合金符合热性能规格，通常是使用的最佳材料。

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

为了最大限度地减少加工时间并降低成本，最好使用挤出和铸件尽可能多。通过模具推动金属来制造挤出，以产生具有固定横截面的物体。用于新挤出的模具是相对便宜的，挤出尺寸限制在约9英寸（22.86厘米）宽。挤出壁厚需要相对一致，并且任何通道或特征都需要直线。

您的制造商还可以使用挤出和加工的组合来降低成本。可以对一些特征进行挤出，然后可以加工更复杂的特征。原型特写目的的另一种选择是将冷板加工较低的数量，然后，一旦验证和固定设计，就会为挤出制成模具。只要您设计了挤出特征，这将有助于保持挤出成本下降。

另一种选择是将铸造和加工结合起来制造冷板。例如，如果铸件不够平坦，则需要将冷板放到所需的平坦度规格的二级操作。值得注意的是，砂铸件不是真空钎焊冷板的选择，因为所使用的大多数合金具有低于真空钎焊温度的熔化温度。它们的使用严格限于管状冷板。建议在两种生产过程中获取报价并称重利用利弊。

通常，挤压或铸造的最小采购量很高，所以你需要正确的应用程序，以证明使用这些过程是合理的。整体而言，挤压和铸造都能显著节省成本。

表面粗糙度

一个可以增加大量成本而对性能影响很小的需求是表面粗糙度(光洁度)。冷板上的粗糙度是表面的不平等，脊，或投影，导致传热表面的不均匀。与某些观点相反，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，冷板与部件之间的表面接触小于10%或大于90%的空气间隙。光滑的表面只会稍微减少空气间隙的百分比。

典型的加工冷板将具有32-64μIN（81-163μCM）的表面光洁度，这足以适用于大多数应用。使用标准加工中心可以减少到16μIN（41μCM）的粗糙度，但这需要更加刚性的固定装置，以减少任何潜在的颤动和加工头的速度和速度。（速度是切削工具头旋转和饲料的速率是机器头穿过冷板的速率。）减少速度和进料转化为更长的加工中心时间，从而提高成本。

大多数应用使用部件或板和冷板之间的热界面材料（TIM），以帮助最小化间隙。蒂姆应尽可能薄，因为蒂姆的相对高的热阻大大地掩盖了从更平滑的表面进行了任何电导率改进。将部件或板的夹紧力增加到冷板也可以有助于抵消更高的粗糙度，但它可能会增加板或组分的应力。夹紧应力也可以增加热膨胀系数（CTE）不匹配的影响作为冷板和部件或板升温。

表面平坦

表面平整度比表面粗糙度对冷板热性能的影响更大，因为如果冷板不平坦，接触面积会大大减少(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，在距离测点一英寸的范围内，冷板的最低点不会比最高点低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)，一种省钱的方法是指定局部平整度，而不是整个板的紧密平整度。例如，如果你要在一个冷板上安装多个绝缘栅双极晶体管(IGBT)，而每个IGBT需要在整个底板上跨越0.001英寸/英寸(0.003厘米/厘米)，请指定单个IGBT的局部平坦度，而不是要求整个板非常平坦。

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

铸造、挤压或真空钎焊的冷板在加工后非常软，通常只有T0硬度。冷板必须硬化，因为软铝很难加工和处理。要使冷板的硬度从T0提高到T4，必须进行热处理。热处理过程包括将冷板温度提高到1000°F(538°C)，让它在该温度下放置大约1小时/英寸的冷板厚度，在最厚点，然后通过非常迅速地冷却它来进行热冲击(见图3)。冷却冷板的一种方法是将它直接从熔炉中扔到水浴中。从T4到T6取冷板时，必须对冷板进行人工老化。这是通过让冷板在300°F-400°F(149°C-204°C)下放置8-16小时来实现的。T6提供了一种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的典型要求。然而，对于大多数应用程序来说，T4已经足够困难了，指定T6只会增加不必要的成本。

安装特点/孔

冷板制造中的另一种成本加法器是添加孔。一个孔可以像冷板的成本一样增加3美元。孔增加成本的主要原因之一是流体路径不能制造孔。因此，对于管道的冷板，需要制造管中的弯曲以容纳孔，并且每个弯曲增加了成本。对于真空钎焊的冷板，必须在流体路径中产生岛，这也意味着电放电加工（EDM）内部翅片。这可以添加相当多的加工时间，从而增加成本。

有几种类型的孔。一种类型是通孔，其从冷板的一侧传递到另一侧。第二种类型是螺纹孔，具有螺纹。由于铝相对柔软，如果部件或板经常改变，则螺纹孔具有有限的寿命。搭配螺纹孔，通常使用直升机。直升机是一个坚固的钢插入件，其增加了螺纹的螺纹，用于频繁成分变化的应用。通过单一钻孔过程产生通孔，而螺纹孔需要在同一台机器上设置的附加工具。直升机需要安装的截止孔，并安装起重机安装本身在加工中心外完成。总之，通过孔是最便宜的，直升机是最昂贵的。

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.

液体连接

对于液体连接，直线螺纹O形圈母端口通常最佳。除了焊接系统之外，它以最低的成本提供最佳密封。管道连接，如NPT配件，不提供诸如冷板等部件所需的精确度。在真空钎焊的冷板上，应避免阳性配件，例如滚针或串珠配件，因为它需要另一种操作，例如焊接以连接配件。此外，延伸超出冷板的配件需要在发货期间保护，可能会增加包装成本。快速断开只应在必要时使用，因为它们可以每对每对高达750美元。在冷板或需要经常更换的电子设备上需要快速断开连接。它们也需要用于已经充电的冷却液的冷板。通过液体连接，另一个考虑因素是港口容差。通常来的管道有一些柔性。 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

使用冷板设计的冷板制造商在冰板的设计中或灵活地与打印设计的灵活性，将允许最多的成本节省。虽然冷板制造中的两个最大成本驱动因素是热性能要求和年需求，但热和/或元件工程师有许多其他因素有一些控制。确保每个规范都有原因，因为每个规范都可以推动成本，有助于保持成本。重要的是要确定粗糙度，平坦度，表面形貌，硬度，安装特征和孔以及液体连接规格是必要的。此外，重要的是要意识到，不仅有许多替代方案，而且还有许多替代方案，而且还可以使用的制造过程，如果不是在制造中省数千美元，则可以节省数百美元。