новости

Что такое основание радиатора и почему важна плоскостность?

Основание радиатора — это сплошное металлическое основание сборки радиатора, которое напрямую контактирует с источником тепла, как правило, с процессором, IGBT-модулем или силовым модулем, для распределения тепловой энергии на прикрепленные ребра или тепловые трубки. Плоскостность имеет значение, поскольку она определяет размер воздушного зазора между основанием и поверхностью компонента, что напрямую контролирует тепловое сопротивление; отклонение в 0,05 мм может увеличить тепловое сопротивление более чем на 20% и вызвать повышение температуры перехода на 10–15°C. На практике достижение плоскостности 0,05 мм или лучше на основании размером 100 мм × 100 мм — это разница между надежной рабочей температурой 80°C и преждевременным отказом при 105°C.

Как плоскостность основания влияет на тепловые характеристики?

Основополагающий принцип заключается в том, что воздух является теплоизолятором с теплопроводностью всего 0,026 Вт/(м·К), в то время как алюминий проводит тепло при 150–200 Вт/(м·К), а медь — при 380–400 Вт/(м·К). Когда основание не является плоским, площадь контакта между основанием и источником тепла уменьшается, а пустоты заполняются воздухом или термоинтерфейсным материалом (TIM). Для типичного IGBT-модуля размером 50 мм × 50 мм отклонение плоскостности 0,10 мм сокращает эффективную площадь контакта на 35–40%, вынуждая слой TIM перекрывать зазор. Поскольку большинство TIM имеют теплопроводность 1–8 Вт/(м·К), тепловое сопротивление интерфейса может увеличиться с 0,05 °C/Вт до 0,12 °C/Вт, что приводит к повышению температуры корпуса на 15–20°C при рассеиваемой мощности 300 Вт. Эмпирическое правило отрасли гласит: каждые 0,025 мм отклонения плоскостности добавляют приблизительно 0,02 °C/Вт теплового сопротивления для интерфейса площадью 100 см².

Какое отклонение плоскостности должно быть у основания радиатора?

Требуемое отклонение плоскостности зависит от размера основания, способа монтажа и теплового бюджета применения. Для стандартных алюминиевых оснований длиной до 150 мм типичной для потребительской электроники является плоскостность 0,05 мм полного показания индикатора (TIR), в то время как высокопроизводительные серверные и телекоммуникационные приложения требуют 0,03 мм TIR. Для более крупных оснований, превышающих 300 мм, например, используемых в тяговых преобразователях для железнодорожного транспорта, допуск ослабляется до 0,10 мм TIR из-за напряжений в материале и коробления при механической обработке. Медные основания, которые являются более мягкими и более подвержены короблению, как правило, требуют этапа снятия напряжений после механической обработки для поддержания плоскостности 0,05 мм TIR. В нашем цехе с ЧПУ мы routinely обеспечиваем плоскостность 0,02 мм на алюминиевых основаниях размером 200 мм × 200 мм с использованием вакуумных патронов и многоступенчатого фрезерования, но это увеличивает стоимость обработки на 15–20% по сравнению с допуском 0,10 мм.

Какие материалы лучше всего подходят для оснований радиаторов?

Двумя доминирующими материалами являются алюминий 6063-T5 и медь C1100, при этом алюминий является выбором по умолчанию для 85% применений из-за стоимости и веса. Алюминий 6063-T5 обеспечивает теплопроводность 200 Вт/(м·К), плотность 2,7 г/см³ и стоимость материала приблизительно 4–6 долларов за килограмм, что делает его идеальным для естественной конвекции и принудительного воздушного охлаждения. Медь C1100 обеспечивает теплопроводность 390 Вт/(м·К), но стоит 12–15 долларов за килограмм и весит 8,9 г/см³, поэтому она предназначена для высокоплотной силовой электроники, где пространство ограничено, а тепловой поток превышает 50 Вт/см². Гибридный вариант — медное основание с алюминиевыми ребрами — используется в высококлассных IGBT-модулях, но биметаллический интерфейс требует тщательного проектирования для управления дифференциальным тепловым расширением, которое может вызвать изменения плоскостности на 0,02–0,04 мм при перепаде температур в 100°C. Для экстремальных применений композиты молибден-медь (MoCu) и медь-вольфрам (CuW) обеспечивают согласование теплового расширения с керамикой, но стоят 80–200 долларов за килограмм.

Почему напряжения при механической обработке вызывают коробление основания?

Когда основание радиатора обрабатывается из цельного блока или плиты, удаление материала высвобождает внутренние напряжения, которые были заперты в процессе прокатки или экструзии. Например, алюминиевая плита толщиной 10 мм, обработанная до 6 мм с одной стороны, изогнется на 0,10–0,30 мм, потому что оставшийся материал тоньше с одной стороны, а распределение внутренних напряжений становится несбалансированным. Сам процесс резания также вносит остаточные напряжения: типичная операция торцевого фрезерования с глубиной резания 0,5 мм создает поверхностные сжимающие напряжения 50–150 МПа, которые могут вызвать загибание краев основания вверх. Чтобы минимизировать это, производители используют двухэтапный процесс обработки: черновая обработка до толщины в пределах 0,3 мм от окончательной, с последующей термообработкой для снятия напряжений при 180–220°C в течение 2–4 часов, а затем чистовой проход. Этот процесс снижает коробление на 60–70%, но добавляет 8–12 часов к производственному циклу и 10–15% к стоимости. Альтернативой является использование предварительно отпущенного плитного материала, который стоит на 5–8% дороже, но исключает необходимость термообработки после механической обработки.

Как следует монтировать основание для поддержания плоскостности?

Способ монтажа влияет на окончательную плоскостность не меньше, чем процесс механической обработки, поскольку усилия зажима могут деформировать основание, которое было идеально плоским в свободном состоянии. Рекомендуемый подход — использование распределенной схемы винтов с шагом 20–30 мм по периметру и моментом затяжки 0,5–1,0 Н·м для винтов M3, а не нескольких винтов с высоким моментом по углам. Для оснований размером более 100 мм рекомендуется центральный пружинный зажим или прижимная пластина для равномерного распределения нагрузки. Монтажная поверхность на шасси или холодной плите также должна быть плоской, в идеале в пределах 0,05 мм, поскольку основание будет принимать форму монтажной поверхности под давлением; если монтажная поверхность имеет выпуклость 0,15 мм, основание деформируется локально, создавая пустоту непосредственно под источником тепла. Термоинтерфейсные материалы следует наносить контролируемой толщиной 0,05–0,10 мм для материалов с фазовым переходом и 0,10–0,20 мм для силиконовых смазок, используя трафарет или дозирующего робота для обеспечения равномерности. В наших испытаниях правильно смонтированное плоское основание с плоскостностью 0,03 мм достигает теплового сопротивления 0,04 °C/Вт, в то время как то же основание, смонтированное на деформированной поверхности с отклонением 0,15 мм, ухудшается до 0,09 °C/Вт.

Какая чистота поверхности требуется на основании радиатора?

Чистота поверхности контактной зоны основания задается как Ra (среднее арифметическое отклонение профиля) и должна составлять от 0,4 до 1,6 мкм для большинства применений, при этом 0,8 мкм является отраслевым стандартом для интерфейсов на основе TIM. Слишком шероховатая поверхность, выше 3,2 мкм, создает микроскопические пики, которые препятствуют заполнению TIM впадин, оставляя воздушные карманы, увеличивающие тепловое сопротивление. Слишком гладкая поверхность, ниже 0,2 мкм, может привести к полному выдавливанию TIM под давлением, что приведет к контакту металл-металл, который на самом деле хуже, поскольку имеет более высокое контактное сопротивление из-за микроскопических зазоров. Плоскостность и чистота поверхности являются независимыми характеристиками: основание может быть идеально плоским, но иметь грубую поверхность, или гладким, но деформированным, и оба состояния неприемлемы. Для прямого контакта металл-металл без TIM, что редко и требует жидкого металла или индиевой фольги, плоскостность должна быть улучшена до 0,01 мм, а чистота — до 0,2 мкм, но это осуществимо только для небольших оснований размером менее 50 мм. Стандартная обработка на ЧПУ с чистовым проходом на глубину 0,1 мм и подачей 0,05 мм/оборот надежно обеспечивает Ra 0,8 мкм на алюминии.

Каковы типичные затраты и сроки поставки для обработанных оснований?

Стоимость основания радиатора определяется материалом, временем обработки и требованиями к допускам, при этом плоскостность является самым значительным фактором затрат. Для алюминиевого основания размером 100 мм × 100 мм × 8 мм с плоскостностью 0,10 мм стоимость обработки составляет 8–12 долларов за штуку для партий 500–1000 единиц, со сроком поставки 2–3 недели, включая закупку материала. Ужесточение плоскостности до 0,03 мм увеличивает стоимость до 15–20 долларов за штуку из-за дополнительной настройки, более низких скоростей подачи и более высокого процента брака 3–5% по сравнению с 1% для стандартного допуска. Для медных оснований того же размера стоимость материала составляет 15–18 долларов за штуку, а обработка добавляет 20–25 долларов из-за более высоких усилий резания и износа инструмента; обработка меди вызывает в 2–3 раза больший износ инструмента, чем обработка алюминия. Таблица ниже обобщает типичные цены и характеристики для распространенных конфигураций оснований.

Когда следует использовать медное основание вместо алюминиевого?

Решение между медным и алюминиевым основанием основывается на тепловом потоке и доступном пространстве для радиатора. Если источник тепла генерирует тепловой поток более 30 Вт/см², а размеры радиатора ограничены корпусом, медь необходима, поскольку ее теплопроводность 390 Вт/(м·К) распределяет тепло в боковом направлении почти вдвое быстрее, чем алюминий, уменьшая температурный градиент по основанию. Например, IGBT-модуль мощностью 200 Вт с площадью кристалла 40 мм × 40 мм производит 125 Вт/см², что требует медного основания для поддержания температуры перехода ниже 125°C; алюминиевое основание было бы на 15–25°C горячее в тех же условиях. Однако, если радиатор имеет достаточную площадь ребер и воздушный поток, алюминиевое основание с встроенной паровой камерой или тепловыми трубками может достичь аналогичных характеристик при стоимости на 40–50% ниже. Медные основания также имеют более низкий коэффициент теплового расширения (17 ppm/°C против 23 ppm/°C для алюминия), что лучше согласуется с керамическими подложками (6–8 ppm/°C), снижая напряжение в паяных соединениях силовых модулей. Для объемов производства более 10 000 единиц в год разница в стоимости материала в 8–10 долларов за деталь становится значительной, поэтому для обоснования использования меди следует выполнить детальное тепловое моделирование.

Часто задаваемые вопросы

В чем разница между плоскостностью и шероховатостью поверхности?

Плоскостность — это мера общей волнистости или отклонения всей поверхности от идеальной плоскости, обычно выражаемая в миллиметрах полного показания индикатора, в то время как шероховатость поверхности (Ra) измеряет мелкие микроскопические пики и впадины на поверхности. Поверхность может быть очень шероховатой, но идеально плоской, или очень гладкой, но деформированной, и оба параметра должны контролироваться независимо для обеспечения надлежащего теплового контакта.

Как измеряется плоскостность основания в производстве?

Плоскостность измеряется с использованием гранитной поверочной плиты с индикатором часового типа или координатно-измерительной машины (КИМ), которая сканирует поверхность в нескольких точках, как правило, от 9 до 25 точек измерения для основания размером 100 мм × 100 мм. Значение плоскостности — это разница между самой высокой и самой низкой точками относительно базовой плоскости, и измерения должны проводиться при контролируемой температуре 20°C, поскольку алюминий расширяется на 0,023 мм на метр на градус Цельсия.

Можно ли выправить деформированное основание после механической обработки?

Да, деформированное основание можно выправить с помощью пресса или роликовой правильной машины, но это надежно только для алюминия и только если коробление составляет менее 0,2 мм. Правка вносит новые остаточные напряжения, которые могут вызвать повторное коробление основания во время термоциклирования, поэтому лучше предотвратить коробление с помощью правильной обработки и снятия напряжений, чем пытаться исправить его впоследствии.

Каков максимальный размер основания радиатора?

Основания радиаторов могут изготавливаться размером до 600 мм × 600 мм как единая деталь на крупных обрабатывающих центрах с ЧПУ, но контроль плоскостности становится все более сложным выше 300 мм из-за напряжений в материале и необходимости специализированных вакуумных приспособлений. Для больших размеров обычно используются несколько меньших оснований или задается более свободный допуск плоскостности 0,15–0,20 мм, что может потребовать податливого слоя TIM или пружинной системы монтажа.

Как толщина основания влияет на тепловые характеристики?

Более толстое основание более эффективно распределяет тепло в боковом направлении, но добавляет тепловое сопротивление в вертикальном направлении, поэтому для каждого применения существует оптимальная толщина. Для алюминия оптимальная толщина основания обычно составляет 6–10 мм для источников тепла мощностью до 50 Вт/см², в то время как медь может быть тоньше — 3–6 мм из-за ее более высокой теплопроводности; превышение 12 мм для алюминия дает убывающую отдачу, поскольку добавленный материал увеличивает вес и стоимость без значительного снижения температуры.

Нужно ли защитное покрытие на основании?

Необработанные алюминиевые и медные основания со временем окисляются, что может увеличить шероховатость поверхности и ухудшить тепловой контакт, поэтому защитное покрытие рекомендуется для агрессивных сред. Наиболее распространенными вариантами являются прозрачное анодирование (толщиной 5–10 мкм) для алюминия, которое добавляет 2–5°C теплового сопротивления, или никелирование (5–15 мкм) для меди, которое обеспечивает стабильную поверхность и улучшает паяемость для крепления силовых модулей.

В BQUQ мы производим прецизионные основания радиаторов более 20 лет, специализируясь на обработке с ЧПУ с жестким контролем плоскостности до 0,02 мм и чистотой поверхности 0,4 мкм Ra. Наша инженерная команда может проанализировать ваши тепловые требования и рекомендовать оптимальный материал основания, допуск плоскостности и чистоту поверхности для вашего применения. Мы предоставляем бесплатную обратную связь по DFM в течение 12 часов после получения ваших чертежей, а наша команда по котировкам ответит с подробными ценами и сроками поставки в течение 12 часов. Свяжитесь с нами по адресу sc@bquq.com или через WhatsApp по номеру +86 13713157787, или посетите www.bquq.com, чтобы загрузить ваши файлы и получить котировку сегодня.

Похожие Статьи

• Радиаторы для аккумуляторных блоков: предотвращение теплового разгона
• Терморегулирование для ярких светодиодов с радиаторами
• Новый автомобиль энергии IGBT тепловыделение, радиатор надежность машиностроения, тепловые трубы и температурные пластины интегрированный радиатор, обработка поверхности и повышение теплового излучения: анодное окисление, черное покрытие и микро-нано структуры, графен / 3D-печать / интеллектуальное управление теплом: 2030 радиатор технологии дорожная карта