Quy trình sản xuất chính xác tản nhiệt: Biểu đồ hiệu suất chi phí của đùn, xẻng, đúc khuôn, rèn và CNC
Lựa chọn quy trình xác định giới hạn trên của hiệu suất nhiệt
Điện trở nhiệt cuối cùng của tản nhiệt được hình thành bởi sự kết hợp của độ dẫn nhiệt của vật liệu (do vật liệu quyết định), diện tích truyền nhiệt đối lưu (do hình học quyết định) và điện trở nhiệt giao diện (do độ chính xác của sản xuất quyết định). Quá trình sản xuất xác định mức độ tự do hình học có thể đạt được, độ chính xác chiều và mức độ khiếm khuyết bên trong, do đó có tác động khác biệt lên đến 30% đến hiệu suất.
II, Quá trình ép nhôm: vua hiệu quả, nhưng bị hạn chế bởi tỷ lệ mảnh mai
Đùn nhôm là công nghệ sản xuất tản nhiệt lâu đời nhất và chi phí thấp nhất. Sau khi làm nóng thanh nhôm đến 450-500 ° C, sử dụng máy ép (áp suất ép thường là 500-5000 tấn) để ép kim loại chảy qua khuôn, tạo thành một cấu hình dài, sau đó cắt thành chiều dài yêu cầu. Ưu điểm của quá trình ép là: chi phí khuôn tương đối thấp (khoảng 2000-8000 USD), hình dạng không đối xứng phức tạp có thể được thực hiện thông qua thiết kế khuôn (chẳng hạn như vây không đối xứng, tấm đáy có rãnh) và tỷ lệ sử dụng vật liệu có thể đạt hơn 95%.
Tuy nhiên, quá trình ép có hai hạn chế cơ bản về hiệu suất vây: giới hạn tỷ lệ mảnh mai và độ dày răng tối thiểu. Tỷ lệ mảnh mai (tỷ lệ chiều cao vây trên độ dày của rễ) thường không vượt quá 20: 1, vượt quá giá trị này, vật liệu nhôm bị cong và rách ở đầu ra của khuôn do làm mát không đồng đều. Điều này có nghĩa là nếu yêu cầu chiều cao vây là 60mm, độ dày không được dưới 3mm, điều này hạn chế nghiêm trọng diện tích tản nhiệt trên mỗi đơn vị thể tích. Mặt khác, độ dày răng tối thiểu được giới hạn ở 0.8-1 0,0mm (tùy thuộc vào hợp kim và công suất của máy ép), không thể đạt đến mức răng mỏng 0,3mm của quá trình xẻng. Do đó, vây ép chỉ có thể phục vụ các tình huống mật độ công suất trung bình và thấp (tiêu thụ nhiệt).
3, Quá trình cắt răng xẻng: Phá vỡ khí động học của tỷ lệ mảnh mai
Răng xẻng, còn được gọi là bào, cắt chính xác, từ toàn bộ chất nền kim loại (nhôm hoặc đồng) thông qua một công cụ CNC để "xẻng" một miếng vây. Quá trình xử lý: sử dụng một con dao xẻng đặc biệt để cắt vào phôi ở một góc nhất định, đẩy về phía trước một khoảng cách sau khi nâng lên, tạo thành một miếng vây thẳng đứng; sau đó phôi bước một khoảng cách răng và lặp lại hành động trên. Độ dày, chiều cao và khoảng cách của vây được kiểm soát độc lập bởi hình học công cụ và số lượng bước, không bị hạn chế bởi tính lưu động của vật liệu.
Quá trình xẻng có thể đạt được hình học cực đoan về độ dày răng 0.2-0 .5mm, khoảng cách răng 0.5-1 .5mm và chiều cao răng trên 100mm, và vây và tấm đế là cùng một vật liệu, không có giao diện hàn hoặc khảm, vì vậy không có điện trở nhiệt tiếp xúc. Đặc tính này rất quan trọng trong các kịch bản mật độ công suất cao (chẳng hạn như đèn LED trên 100W, mô-đun IGBT, trạm gốc 5G AAU). Dữ liệu thực nghiệm cho thấy, dưới cùng một khối lượng và khối lượng gió, điện trở nhiệt của bộ tản nhiệt xẻng thấp hơn 15-25% so với bộ tản nhiệt ép nhôm và thấp hơn 10-15% so với bộ tản nhiệt kẹp răng (được giới thiệu sau).
Nhược điểm chi phí của răng xẻng là: chất thải vật liệu nghiêm trọng (khoảng 40% kim loại được cắt thành vụn), thời gian xử lý dài (vài phút đến hàng chục phút cho mỗi miếng) và mài mòn công cụ cực nhanh (cần phải được thay thế nhiều lần trong tháng). Ngoài ra, quá trình răng xẻng có yêu cầu độ cứng cao đối với máy công cụ, thường cần phải được thực hiện trên máy phay trục nặng hoặc máy xẻng chuyên dụng. Nói chung, chi phí một kiện của răng xẻng gấp 5-10 lần so với ép, phù hợp với các tình huống có số lượng lớn vừa và nhỏ và hiệu suất được ưu tiên.
4, Quá trình định hình / đinh tán: chi phí thấp để có được mật độ vây cao
Đặt răng là một vây dài được ép trước hoặc cuộn thành một dải dài, được nhúng vào rãnh trên tấm đế bằng phương tiện cơ học (ép vào, tán đinh, dán). Cấu trúc "tách rời" này làm cho vây và tấm đế có thể được làm bằng các vật liệu khác nhau (ví dụ như tấm đế đồng + vây nhôm), và độ dày vây có thể mỏng đến 0,3mm và khoảng cách có thể nhỏ đến 1,0mm. Tỷ lệ sử dụng vật liệu của quá trình đặt răng cao hơn (vây được ép riêng và tổn thất nhỏ) và không cần máy xẻng răng lớn đắt tiền.
Nhưng điểm yếu chết người của việc cắt răng là khả năng chịu nhiệt tiếp xúc. Cho dù độ chặt của miếng dán có cao đến đâu, luôn có những khoảng trống cực nhỏ giữa rễ vây và tấm đáy, và khả năng chịu nhiệt của lớp không khí của những khoảng trống này cao gấp hàng trăm lần so với kim loại. Ngay cả khi được làm đầy bằng keo dẫn nhiệt, khả năng chịu nhiệt tương đương của nó vẫn cao hơn một bậc so với cấu trúc tích hợp. Trong trường hợp mật độ thông lượng nhiệt cao, các điểm nóng cục bộ sẽ được tạo ra ở miếng dán, dẫn đến nhiệt độ rễ vây cao hơn nhiều so với nhiệt độ trung bình của tấm đáy và hiệu suất truyền nhiệt giảm. Khả năng chịu nhiệt của bộ tản nhiệt cắt răng thường cao hơn 20-30% so với răng xẻng, vì vậy nó phù hợp hơn với các thiết bị công nghiệp nhạy cảm với chi phí và
Quá trình đúc khuôn: giải pháp duy nhất cho hình học ba chiều phức tạp
Đúc áp lực bơm hợp kim nhôm nóng chảy (như ADC12) vào khuôn kim loại chính xác ở tốc độ cao và làm mát nhanh chóng để tạo thành. Đúc khuôn có thể tạo ra vỏ tản nhiệt với các kênh dòng chảy bên trong phức tạp, giá đỡ hình đặc biệt và thậm chí một phần của các bộ phận nhúng. Ví dụ, vỏ điều khiển động cơ ô tô năng lượng mới thường được đúc nguyên khối bằng đúc khuôn, vây tản nhiệt tích hợp bên ngoài và kênh làm mát nước tích hợp bên trong. Một lợi thế khác của đúc khuôn là bề mặt hoàn thiện tốt và có thể được sử dụng mà không cần xử lý tiếp theo.
Tuy nhiên, tản nhiệt đúc khuôn có ba vấn đề cố hữu: độ xốp (thường là 0.5-3%, làm giảm mặt cắt ngang dẫn nhiệt hiệu quả), giới hạn độ dày răng tối thiểu (do sự ngưng tụ của dòng chảy kim loại, độ dày răng cần phải > 1,2 mm) và không thích hợp để xử lý nhiệt tăng cường (lỗ khí mở rộng và phồng lên ở nhiệt độ cao). Do đó, độ dẫn nhiệt của tản nhiệt đúc khuôn thường thấp (ADC12 chỉ là 96 W / (m · K), thấp hơn nhiều so với 200 của 6063). Để cải thiện độ dẫn nhiệt, hợp kim đúc dẫn nhiệt cao như DX17 (độ dẫn nhiệt khoảng 180 W / (m · K)) có thể được chọn, nhưng giá của nó được cải thiện đáng kể. Chi phí khuôn đúc khuôn cực kỳ cao (2-100.000 USD), chu kỳ phát triển dài (2-4 tháng), chỉ phù hợp cho sản xuất hàng loạt.
Quá trình rèn: tính chất cơ học tốt nhất, nhưng hình học bị hạn chế
Thanh nhôm hoặc đồng được hình thành bằng dòng chảy nhựa dưới áp suất rất lớn (hàng trăm đến hàng ngàn tấn) trong khuôn kín. Rèn có thể loại bỏ các khiếm khuyết đúc, tinh chỉnh hạt và làm cho dòng chảy kim loại được phân bố dọc theo đường viền hình học của bộ phận, vì vậy độ bền và độ dẫn nhiệt tốt hơn so với đúc và có thể tránh được giới hạn tỷ lệ mảnh mai của ép. Rèn nóng (vật liệu được làm nóng và rèn lại) có thể tạo thành các hình dạng phức tạp, và rèn lạnh (rèn nhiệt độ phòng) có độ chính xác cao hơn. Đối với tản nhiệt, rèn thường được sử dụng để sản xuất đế tản nhiệt hoặc các mảng vây nhỏ với yêu cầu cơ học cao (ví dụ như bộ tản nhiệt CPU máy tính xách tay).
Hạn chế của việc rèn là: rất khó để rèn vây cao và dày đặc (vì vật liệu không thể lấp đầy hoàn toàn khoang khuôn hẹp và sâu), thường chỉ phù hợp với trường hợp chiều cao vây dưới 30mm và độ dày lớn hơn 1,5mm. Tuổi thọ khuôn ngắn (đặc biệt là khuôn rèn lạnh dễ bị nứt), chi phí một kiện chỉ đứng sau gia công chính xác CNC.
Gia công chính xác CNC: Giới hạn độ chính xác, nhưng chi phí không phù hợp với sản xuất hàng loạt
Trung tâm gia công CNC 5 trục có thể phay bộ tản nhiệt hình học phức tạp tùy ý từ toàn bộ khối kim loại. Dung sai có thể được kiểm soát ở ±0.02mm và độ nhám bề mặt có thể đạt Ra0.8. Nhưng tỷ lệ loại bỏ vật liệu của nó là cực kỳ thấp, 80% kim loại trở thành vụn, và thời gian gia công một mảnh lên đến vài giờ, chi phí cao đến mức chỉ phù hợp với các lĩnh vực không tính chi phí như hàng không vũ trụ, dụng cụ đo chính xác. Trong những năm gần đây, với việc tối ưu hóa chiến lược phay tốc độ cao và phay động, một số bộ tản nhiệt mật độ cao số lượng nhỏ bắt đầu sử dụng gia công CNC, nhưng vẫn không thể thay thế vị trí sản xuất hàng loạt và hiệu quả của răng xẻng
8, Ma trận quyết định lựa chọn quy trình
Quá trình vây độ dày tối thiểu tối đa tỷ lệ mảnh mai tiếp xúc điện trở nhiệt khối lượng kinh tế mất độ dẫn nhiệt (chất nền tương đối)
Bóp 0,8mm20: 1 không (một mảnh) tuyệt vời 0%
Răng xẻng 0,2mm80: 1 0 (một mảnh) Trung bình 0%
Định hình răng 0,3mm không giới hạn cao tốt không có, nhưng giao diện đính kèm
Đúc chết 1,2mm15: 1 Zero (một mảnh) tốt 30-40% (lỗ khí)
Rèn 1,5mm10: 1 0 (một mảnh) chênh lệch 0%
CNC không giới hạn không giới hạn (một trong một) chênh lệch cực 0%
Tóm tắt và triển vọng
Hướng tới tương lai, một quy trình sản xuất duy nhất khó có thể đáp ứng tất cả các nhu cầu. Một xu hướng mới là quy trình hỗn hợp: ví dụ, ép chất nền + vây răng xẻng (kết nối bằng hàn hoặc hàn ma sát khuấy), hoặc lưới kim loại in 3D làm cấu trúc tản nhiệt (sản xuất phụ gia). Nhưng chi phí in 3D hiện tại quá cao, và độ dẫn nhiệt của nhôm in bị giảm đáng kể do lỗ chân lông và tinh thể thô (chỉ khoảng 120 W / (m · K)). Sự khôn ngoan kỹ thuật thực sự là: dựa trên mức tiêu thụ nhiệt cụ thể của ứng dụng, hạn chế khối lượng, mục tiêu chi phí và năng suất, chọn kết hợp quy trình phù hợp, thay vì tin vào một "quy trình vạn năng" nhất định.
BQUQ là nhà sản xuất tản nhiệt kim loại chuyên nghiệp, xin vui lòng gửi bản vẽ cho chúng tôi, công ty chúng tôi sẽ báo giá cho bạn trong vòng 12 giờ.
