Sıvı Soğutmalı Soğuk Plakaları En Hızlı Büyüyen Isı Emici Segmenti Yapan Nedir?
Sıvı soğutmalı soğuk plakalar, en hızlı büyüyen ısı emici segmentidir çünkü geleneksel hava soğutmalı alüminyum ekstrüzyonlara kıyasla 10 ila 50 kat daha iyi ısı transfer verimliliği sunarlar; tipik termal dirençleri 0,01 ila 0,05 °C/W iken hava soğutmalı tasarımlarda bu değer 0,1 ila 1,0 °C/W'dir. 2024 yılında, küresel soğuk plaka pazarı, elektrikli araç (EV) invertörlerinde, veri merkezi sıvı soğutmasında ve yüksek güçlü lazer diyotlarında 800W ila 1200W termal dağıtım talebinin etkisiyle yıllık bazda %18,7 büyüdü. Bu makale, mühendislere bu bileşenleri yeni nesil termal yönetim sistemleri için belirlemek üzere gereken kesin performans verilerini, malzeme seçeneklerini, üretim toleranslarını ve maliyet kıyaslamalarını sağlar.
Sıvı Soğutmalı Soğuk Plakalar Hangi Termal Performansı Elde Edebilir?
Sıvı soğutmalı soğuk plakaların temel avantajı, hava soğutmalı sistemleri eritecek ısı akılarını yönetebilme yetenekleridir. Tipik bir bakır mikro kanallı soğuk plaka 500 ila 1000 W/cm² dağıtabilirken, standart bir hava soğutmalı ısı emici yaklaşık 15 ila 25 W/cm² ile sınırlıdır. Soğutucunun konvektif direncini ve plaka malzemesinin iletken direncini içeren genel termal direnç, 4 L/dk akış hızında yüksek performanslı bakır tasarımlar için 0,008 °C/W ile standart alüminyum konfigürasyonlar için 0,08 °C/W arasında değişir.
Bağlantı noktasından soğutucuya sıcaklık artışı kritik spesifikasyondur. 1 kW ısı yükü için iyi bir soğuk plaka, giriş soğutucu sıcaklığının (veri merkezleri için tipik olarak 25 ila 35 °C) yalnızca 10 ila 20 °C üzerinde bir sıcaklık artışı sağlar. Bu, bağlantı noktası sıcaklıklarının, silisyum karbür (SiC) güç modülleri için standart güvenilirlik eşiği olan 85 °C'nin altında kalmasını sağlar. Basınç düşüşü dengeleyici faktördür; 200 mikron kanallı yüksek performanslı bir mikro kanal tasarımı 30 ila 50 kPa basınç düşüşü gösterebilir ve 20 ila 40 W hidrolik güce sahip bir pompa gerektirir.
Sıvı Soğutmalı Soğuk Plaka Hava Soğutmalı Isı Emicilerle Nasıl Karşılaştırılır?
Performans farkı kademeli değildir; bir büyüklük mertebesindedir. Hava soğutmalı ısı emiciler, 25 ila 250 W/m²·K ısı transfer katsayılarıyla zorlanmış konveksiyona dayanırken, bir soğuk plakadaki sıvı soğutma, akışın laminer veya türbülanslı olmasına bağlı olarak 1.000 ila 20.000 W/m²·K değerine ulaşır. Bu nedenle, EV çekiş sürücülerinde kullanılan IGBT (Yalıtımlı Kapı Bipolar Transistör) modüllerinde yaygın olan ısı akısı 50 W/cm²'yi aştığında soğuk plakalar zorunludur.
Pratik bir karşılaştırma için 600 W'lık bir IGBT modülünü ele alalım. 200 mm x 200 mm tabanlı ve 300 CFM fanlı bir alüminyum ekstrüzyon hava soğutmalı ısı emici, 75 °C'lik bir kasa sıcaklığını koruyabilir, ancak geniş bir kanat alanı gerektirir ve 65 dB akustik gürültü üretir. Aynı taban alanına sahip, 6 L/dk'da %60/40 su-glikol karışımı kullanan sıvı soğutmalı bir soğuk plaka, sıfır gürültüyle 55 °C'lik bir kasa sıcaklığına ulaşır. Sıvı çözüm ayrıca, yoğun kanat yığını ortadan kaldırıldığı için genel sistem ağırlığını %30 azaltır. Bununla birlikte, sıvı sistem karmaşıklık ekler: bir pompa, bir rezervuar, borular ve bir radyatöre ihtiyacınız vardır, bu da toplam sistem maliyetini hava soğutmaya kıyasla %40 ila %60 artırır.
Sıvı Soğutmalı Soğuk Plakalar İçin Hangi Üretim Yöntemleri Kullanılır?
Her biri farklı performans ve maliyet dengesi sunan dört ana üretim yöntemi vardır. En yaygın yüksek hacimli yöntem vakumlu lehimlemedir; burada damgalanmış bir alüminyum taban ve işlenmiş bir kapak plakası, 590 °C'de bir lehim alaşımıyla (tipik olarak Al-Si 4047) birleştirilir. Bu işlem, minimum 120 MPa bağ mukavemetine sahip güçlü, sızdırmaz bir bağlantı oluşturur ve 300 mm uzunlukta 0,05 mm düzlük elde edebilir.
Üst düzey bakır uygulamalar için tercih edilen yöntem, ana malzemeyi eritmeden katı halde bir bağlantı üreten sürtünme karıştırma kaynağıdır (FSW). FSW soğuk plakalar 20 bar'a kadar basınca dayanabilir ve soğutucunun su yerine dielektrik (örn. 3M Novec) olduğu durumlarda kullanılır. Katı bir bakır bloktan kanatların kesildiği sıyırma (skived) soğuk plakalar, en düşük termal direnci (0,01 °C/W) sunar ancak %40 gibi yüksek bir malzeme israf oranına sahiptir, bu da onları pahalı hale getirir. En yeni yöntem, uyumlu soğutma yollarına sahip karmaşık 3D iç kanallara izin veren eklemeli üretimdir (lazer toz yatağı füzyonu); ancak üretim hızı yavaştır (0,1 L/saat) ve yüzey pürüzlülüğü (Ra 6-10 µm) basınç düşüşünü %20 artırabilir.
| Üretim Yöntemi | Malzeme | Termal Direnç (°C/W) | Maks. Basınç (bar) | Birim Başına Göreli Maliyet | Tipik Teslim Süresi |
| Vakumlu Lehimleme (Damgalı) | Alüminyum 6063 | 0,03 ila 0,05 | 10 | 1,0 (temel) | 4 ila 6 hafta |
| Sürtünme Karıştırma Kaynaklı | Bakır C11000 | 0,02 ila 0,03 | 20 | 2,5 | 6 ila 8 hafta |
| Sıyırma Kanatlı | Bakır C11000 | 0,01 ila 0,02 | 8 | 4,0 | 3 ila 4 hafta |
| Eklemeli (3D Baskılı) | AlSi10Mg | 0,015 ila 0,025 | 15 | 8,0 | 2 ila 3 hafta |
Yüksek Isı Akılı Soğuk Plakalar İçin Bakır Neden Tercih Edilen Malzemedir?
Bakırın termal iletkenliği (385 ila 401 W/m·K), alüminyumun (167 ila 220 W/m·K) kabaca iki katıdır ve bu, plaka içindeki yayılma direncini doğrudan azaltır. 100 mm x 100 mm bir taban üzerinde 20 mm x 20 mm ısı kaynağına sahip 10 mm kalınlığında bir plaka için alüminyumda yayılma direnci 0,12 °C/W iken bakırda yalnızca 0,06 °C/W'dir. Bu fark, lazer diyotlarında veya SiC MOSFET'lerde olduğu gibi ısı kaynağı plakaya göre küçük olduğunda kritiktir.
Bununla birlikte, bakırın iki büyük dezavantajı vardır: ağırlık ve korozyon. Bakır, alüminyumdan 3,3 kat daha yoğundur (8.960 kg/m³'e karşı 2.700 kg/m³), bu da bir EV güç aktarma organına önemli ölçüde kütle ekler. Korozyon daha da büyük bir sorundur; bakır, soğutucuda bir korozyon inhibitörü (örn. %0,1 konsantrasyonda benzotriazol) gerektirir ve dielektrik izolasyon katmanı olmadan alüminyum radyatörlerle uyumlu değildir. Bu nedenle, birçok otomotiv uygulaması bakır bir soğuk plaka kullanır ancak galvanik korozyonu önlemek için paslanmaz çelik bir pompa ve naylon takviyeli bir hortumla eşleştirir.
Sıvı Soğutmalı Soğuk Plaka Takım Maliyeti Ne Kadardır?
Takım maliyeti, düşük hacimli üretim için önemli bir engeldir. Damgalı tabanlı vakumlu lehimli bir alüminyum soğuk plaka için damgalama kalıbının takım maliyeti 15.000 ila 30.000 $ arasındadır ve lehimleme fikstürü ek 5.000 ila 10.000 $ tutar. Bu, toplam ilk yatırımı kabaca 20.000 ila 40.000 $'a getirir ve bu da üretim hacmine göre amorti edilir. Yılda 1.000 birimde, takım amortismanı birim başına 20 ila 40 $ ekler.
Sürtünme karıştırma kaynağı için takım çok daha basittir (yalnızca bir sıkıştırma fikstürü), 3.000 ila 8.000 $'a mal olur, ancak birim başına işleme süresi daha uzundur. 150 mm x 150 mm ölçülerinde tipik bir FSW bakır plaka, saatte 120 $ atölye ücretiyle birim maliyete 30 $ ekleyen 15 dakikalık makine süresi gerektirir. Eklemeli üretim sıfır takım maliyetine sahiptir, ancak AlSi10Mg tozunun hammadde maliyeti kilogram başına 60 ila 80 $'dır ve 500 gramlık bir parça yalnızca malzeme ve baskı süresi olarak 120 ila 200 $'a mal olacaktır. Yılda 5.000 birimin üzerindeki üretim hacimleri için vakumlu lehimleme, standart bir 200 mm x 200 mm alüminyum plaka için 25 ila 45 $ birim maliyetle en ekonomik seçimdir.
Hava Soğutma Yerine Sıvı Soğutmalı Soğuk Plakayı Ne Zaman Seçmelisiniz?
Karar dört parametre tarafından belirlenir: ısı akısı, izin verilen sıcaklık artışı, gürültü bütçesi ve alan hacmi. Isı akınız 50 W/cm²'yi aşıyorsa veya toplam gücünüz sınırlı bir alanda 500 W'ı aşıyorsa, sıvı soğutma isteğe bağlı değildir; zorunludur. İkinci bir tetikleyici akustik gereksinimdir: sistem 40 dBA'nın altında çalışmalıysa (tıbbi veya kayıt ekipmanlarında yaygındır), hava soğutmalı fanlar büyük bir kapasite düşürme olmadan bunu karşılayamazken, sıvı pompaları 25 ila 35 dBA'da çalışır.
Toplam sistem maliyetindeki geçiş noktası yaklaşık 800 W termal yükte gerçekleşir. 800 W'ın altında, iyi tasarlanmış bir hava soğutmalı sistem, yüksek performanslı bir ısı borulu düzenekle daha ucuzdur (toplam maliyet 50 ila 80 $). 800 W'ın üzerinde, hava soğutmalı çözüm aşırı kanat hacmi ve birden fazla yüksek hızlı fan gerektirir ve maliyeti 150 $'ın üzerine çıkarırken, bir sıvı soğuk plaka sistemi (plaka, pompa ve radyatör) 100 ila 140 $'a entegre edilebilir. Ortam giriş havasının zaten 35 °C olduğu veri merkezi uygulamalarında, izin verilen sıcaklık artışı yalnızca 40 °C olduğundan ve bu, 30 W/cm² üzerindeki ısı akılarında hava ile elde edilmesi imkansız olduğundan soğuk plaka zorunlu hale gelir.
Sıvı Soğutmalı Soğuk Plakada Hangi Soğutucu Kullanılmalıdır?
Soğutucu seçimi hem termal performansı hem de sistem güvenilirliğini etkiler. Deiyonize su en iyi termal iletkenliği (0,6 W/m·K) ve özgül ısıyı (4,18 kJ/kg·K) sunar, ancak donma noktası 0 °C'dir ve katkı maddeleri olmadan aşındırıcıdır. Otomotiv uygulamaları için %50/50 propilen glikol-su karışımı standarttır; bu, donma noktasını -37 °C'ye düşürür ancak ısı transfer katsayısını saf suya kıyasla %15 azaltır.
Elektrik iletkenliğinin önemli olduğu elektronik soğutması için 3M Novec 649 veya PAO (polialfaolefin) gibi dielektrik sıvılar kullanılır. Bu sıvıların termal iletkenliği sudan 10 kat daha düşüktür, bu nedenle aynı performansı elde etmek için soğuk plakanın %30 daha büyük olması gerekir. Akış hızı da kritiktir; tipik bir soğuk plaka 1 kW yük için 4 ila 8 L/dk gerektirir. Akış hızını 4 L/dk'dan 8 L/dk'ya çıkarmak termal direnci %25 azaltır, ancak basınç düşüşünü ikiye katlayarak pompa gücünü 10 W'tan 40 W'a çıkarır. Önerilen çalışma basıncı 2 ila 4 bar'dır ve lehimli alüminyum için 10 bar, FSW bakır için 20 bar patlama basıncı değerleri vardır.
Yaygın Arıza Modları ve Kalite Kontrol Testleri Nelerdir?
Birincil arıza modu, lehim bağlantılarında, giriş/çıkış bağlantı parçalarında veya zamanla korozyon nedeniyle oluşabilen sızıntıdır. Sızıntı testi için endüstri standardı, 1 x 10⁻⁹ mbar·L/s kadar küçük sızıntıları tespit edebilen bir helyum kütle spektrometresi testidir. Üretilen her soğuk plaka, 6 bar basınç altında 5 dakika boyunca %100 sızıntı testinden geçmelidir. Ek olarak, numune birimleri üzerinde bir basınç çevrim testi yapılır: termal genleşme yorulmasını simüle etmek için dakikada 10 çevrim hızında 0 ila 6 bar arasında 100.000 çevrim.
Bir diğer kritik QC ölçümü düzlük doğrulamasıdır. Montaj yüzeyi, IGBT modülüyle uygun arayüzü sağlamak için 100 mm üzerinde 0,05 mm içinde düz olmalıdır; aksi takdirde termal arayüz malzemesi (TIM) boşluğu doldurmayacak ve sıcak noktalara neden olacaktır. Yüzey pürüzlülüğü, optimum TIM ıslatması için Ra 0,8 ila 1,6 µm olmalıdır. Son olarak, termal direncin tasarım spesifikasyonunun %5'i içinde olduğunu doğrulamak için kalibre edilmiş bir ısı kaynağı kullanan bir termal performans testi gereklidir. BQUQ'da, 500 W üzeri tüm soğuk plakalarda %100 termal test gerçekleştiriyor ve teslim edilen birimin simülasyon verileriyle eşleşmesini sağlıyoruz.
Üretimden Önce Soğuk Plaka Tasarımını Nasıl Doğrulayabilirsiniz?
Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) simülasyonu standart ilk adımdır. Tipik bir model, 6 L/dk akış hızı ve 1 kW ısı yüküyle bir k-epsilon türbülans modeli kullanacaktır. Simülasyon, ağ kalitesi yeterliyse (karmaşık bir mikro kanal tasarımı için minimum 5 milyon eleman) sıcaklık dağılımını ve basınç düşüşünü %10 doğrulukla tahmin eder. Temel çıktı, giriş plenumunun yakınındaki sıcak noktaları tanımlayan termal direnç haritası
