5G 需求激发散热技术升级,洞悉3D打印在散热中的应用

根据3D科学谷的市场研究,增材制造(AM)为新颖的散热器设计开辟了新途径,可以针对流动性和传导性进行优化。通常除了组件本身之外,电连接和铜走线的电阻还会产生一些热量。为避免电路故障,针对散热器的定制设计是另外制造的,旨在生产能在安全温度范围内运行并保持在安全温度范围内的电子产品。

根据热管理材料的市场研究,高性能电子产品机身越来越薄,电子元器件体积不断缩小,其功率密度却快速增加,手机产生热量的部件主要是 CPU、电池、主板等,散热问题成为重要问题。5G 手机射频前端升级带来天线数量增加,传输速度提高增加散热需求;智能机机执行高效能耗电的功能和应用时 SoC 将会发出大量热量,增加散热需求。目前市场上兴起手机散热的方案有石墨片、石墨烯、均温板、热管等。热管/均温板散热方案导热系数高于其他方案,导热效率优势突出。同时热管/均温板使用寿命长,均温效果优于其他散热方案。华为、小米等 5G 手机均开始采用热管/均温板散热方案,预计 2022 年 5G手机带来散热空间 31 亿元。无线充电、OLED 发展也会增加散热需求。

本期,3D科学谷与谷友一起来洞悉3D打印在散热中的应用。

Valley_Heat© 3D科学谷《3D打印热交换器白皮书》

block 挑战带来机遇

根据热管理材料的市场研究,消费电子在实现智能化的同时逐步向轻薄化、高性能和多功能方向发展。智能手机轻薄化和便携化的设计要求内部组件散热性和可靠性更好。电子产品的性能越来越强大,而集成度和组装密度不断提高,导致其工作功耗和发热量的急剧增大。据统计,电子元器件因热量集中引起的材料失效占总失效率的 65%-80%,热管理技术是电子产品考虑的关键因素。

5G 时代的高速度和低延迟给我们带来更佳的体验感,但是对于电子设备而言功耗会增加,发热量也随着上升。消费电子的导热和散热能力的强弱成为产品稳定立足的关键技术之一。另一方面,5G 时代电子设备上集成的功能逐渐增加并且复杂化,以及设备本身的体积逐渐缩小,对电子设备的热管理技术提出了更高的要求。解决消费电子的散热问题成为 5G时代电子设备的难点和重点之一。

均温板钎焊技术成品率不高。均温板在制造过程中总共有三处需要焊接,即上下板的焊接、充注管与腔体的焊接以及充注管封口。均温板上下板的焊接,其本质就是两块纯铜板接触面间的焊接,采用传统钎焊的方式。

COFAN_Heat均温板拆解图© COFAN官网

钎焊是利用低于铜质均温板熔点的钎料,和均温板一同放到钎焊炉内,利用液态钎料填充上下均温板间的空隙,冷却后上下板即焊接在一起。钎焊技术的最大缺点是成品率不高。目前扩散焊工艺受到关注,扩散焊是一种在真空或者保护气体的环境下,将均温板上下板紧密结合,并对均温板焊件施加一定的压力,放到真空焊接炉内,在一定温度下保持一定时间后,使焊接接触面间的原子充分相互扩散,从而达到紧密连接的目的。

Part_heat exchanger案例洞悉工程师怎样通过3D 打印技术将换热器性能提高 20倍

根据3D科学谷的市场了解,在热交换器和散热器领域,AM -增材制造的优势在于能够将热交换器芯和歧管作为单个整体部件生产。传统上生产热交换器的方法是制造单独的翅片或板并将它们粘合或焊接在一起。这是一种手动技术,如果任何这些钎焊接头之间出现故障,都可能导致热交换器出现故障。因此,3D打印所实现的在单个制造过程中生产所有内部结构是有利的。

block 助力小型化与集成化

我们通常提到的散热器是一种用于冷却电子元件的热交换器。由于其制造简单,成本低,尺寸小和散热可靠而被广泛使用。在过去的几十年中,在结合微型和纳米技术发展的电子设备的小型化方面已经付出了很多努力。因此,电子学的散热技术和增强散热片的热性能变得越来越重要。

根据3D科学谷发布的上篇-《3D打印与换热器及散热器应用2.0下篇-《3D打印与换热器及散热器应用2.0》,3D打印在推动散热器结构复杂化方面将扮演重要的角色,3D打印用于散热器或热交换器的制造满足了产品趋向紧凑型、高效性、模块化、多材料的发展趋势,特别是用于异形、结构一体化、薄壁、薄型翅片、微通道、十分复杂的形状、点阵结构等加工,3D打印具有传统制造技术不具备的优势。

Part_ntopology_Heat© nTopology

根据3D科学谷的了解,可以通过修改空间或流体域的特性来增强散热器的散热性能。电子系统的小型化给设计在有限空间内运行的高效系统带来了额外的挑战。增强热传递的有效方法是修改几何形状,而3D打印-增材制造成就产品复杂性的这一特点为散热器的优化设计打开了新空间。

3D打印可以实现:

- 增强从电子元件的传热;

- 在不影响传热效率的情况下减小散热器的尺寸;

- 通过在设计中加入仿生技术来增强散热效果;

- 设计优化

传热系数与表面粗糙度相关,当表面粗糙时,对流传热系数较高。一条思路是通过关注于增加的表面积和表面粗糙度,以改进散热器的设计。

block 铜与3D打印散热器

根据ACAM亚琛增材制造中心在2021年formnext深圳展会上关于《增材制造技术“深潜”-前沿发展趋势》的分享,3D打印-增材制造的发展趋势朝向多维度的深化层面,面向量产应用,向应用端深度延伸走向产业化的一条发展路径是新材料与新制造工艺的结合。

3D打印-增材制造的铜组件特别适合于对热交换和导电性能要求高的组件的制造。由于铜的导热性和反射率非常高,这使得铜金属特备是纯铜难以通过常规 3D 打印有效成型,铜在室温下对近红外光的吸收率仅为 5%,这意味着加工窗口十分的窄,很难找到完美的参数,加工效率也非常慢,制件无论是力学性能还是导电率都受到很大的限制。另外,95% 的能量反射对于设备本身的伤害也是巨大的,铜对绿色激光的吸收率很高,接近 40%,足足是近红外激光的8倍,好的吸收率意味着比较宽的加工窗口,制件力学性能和电导率都大大提升,反射率的减少可以使得加工过程更加稳定而且高效。

根据3D科学谷的市场了解,德国通快的 TruPrint 1000 绿光版采用指定铜含量大于 99.9% 的高导电纯铜ETP(EN CW004A),能够实现 100% IACS 的电导率和远低于 0.5% 的孔隙率。与红外激光的 3D 打印设备相比,使用 TruPrint 1000 绿光版能够以更大的工艺窗口、更高的生产率制造例如 CuCr1Zr 铬锆铜等铜合金零件。

Video cover_TruPrint1000

另一个案例是关于EOS在铜3D打印散热器方面的应用。当分隔两种介质(例如水和空气)的壁厚足够薄时,热导率可以忽略不计。这意味着,可以创建具有铜基换热器性能的铝制换热器。对于其他属性的应用,例如当耐腐蚀性是最重要的考虑因素时,可以选择钛或不锈钢材料,其性能与铜热交换器相似。

EOS_Copper© EOS

与传统的增材制造相比,拿EOS的一个经典案例来说,现在可以生产更薄 30-40% 的水/气密壁厚,从而显着提高表面积与体积比。简单来说,3D打印使得可以在更小的体积中进行更多的热交换,这非常像狗的舌头发挥的强大的散热作用。

对于换热器来说,确保性能满足要求并且避免泄漏是至关重要的。在EOS的案例中,在参数开发过程中,EOS使用压降以及浸入水中测试,以实现尽可能薄的壁 – 同时气密。根据3D科学谷的了解,为了生成可靠的测试方法,开发人员设计了一个特定的测试结构,由 21 个直径为 2.5 毫米、壁厚不同的空心销组成。由于这些压力测试销的设计壁厚为 0.2 毫米,非常易碎,因此设计了一个环绕的保护笼,以防止在测试准备期间对销造成任何损坏。

更多内容,请参考3D科学谷发布的《铜金属3D打印白皮书第二版

block 微型散热器

在电子器件散热方面,来自德国亚琛的IQ-evolution公司,则是开发了与PCB集成在一起的散热结构(inboard cooler),展示出借助3D打印可以获得的令人惊叹的创新潜力。

如果只有很小的空间可用来散发功率半导体的热量损失,那么这正是亚琛的IQ-evolution公司开发的微型冷却器的用途。

自2006年以来,来自德国亚琛(Aachen)的IQ-evolution公司通过PBF激光粉末床融化工艺(简称LPBF0也称为选区激光熔化)来加工微型冷却器。通过激光束在粉末床上一层一层地形成内部复杂结构,从而创建非常复杂的组件,而无需使用其他模具。

IQ-evolution_Part将IQ Big 53冷却器拧到两个Semitop模块上(双层包装的尺寸:60 mm x 55 mm x 24 mm(HxWxD)),重量约为100克。©亚琛 IQ-evolution

3D打印的不锈钢散热器早已进入电子开发实验室,根据3D科学谷的深度了解,在冷却性能和冷却组件的功率输出方面,所有最先进的SiC组件(由碳化硅制成的功率半导体)应用领域,都获得了令人印象深刻的结果。这些SiC元件能够以97%到99%的效率传输非常高的功率。产生的热量损失的可靠散逸决定了功率电子设备的性能。

除了使用主动散热元件外,被动元件最近也成为亚琛的关注焦点。在这里,例如对于大电流线圈,对冷却的需求也在增加。通过3D打印可以提供合适的解决方案,例如厚度为0.8毫米的薄壁,使得总有用于冷却插件的空间。

通过这种散热器也可以可靠地并且以节省空间的方式实现用于车辆传感器数据的图形处理的芯片的冷却。通常即使不显着改变封闭外壳也是如此。

根据3D科学谷的了解,亚琛正在研究的另一个解决方案是电源导轨冷却,母线以高电流连接功率电子设备中的组件。在此,必须有效地消除导体内部以及接触点处的电阻所产生的多余热量。亚琛目前通过3D打印技术为这个应用领域开发合适的解决方案。

更多内容,请参考3D科学谷发布的上篇-《3D打印与换热器及散热器应用》下篇-《3D打印与换热器及散热器应用》。

参考资料:
1. 5G 散热需求倍增,行业增长箭已在弦/热管理材料
2.《 3D打印与5G白皮书》/安世亚太、3D科学谷

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