3D打印微型流冷散热器在大功率冷却上展示独特优势

来源：Elektronik Praxis

作者：Thomas Ebert

总部位于德国亚琛的IQ evolution是一家专业开发和制造基于金属3D打印技术的复杂几何微观结构组件的企业。他们专注于设计先进的液冷散热器，该散热器具有很高的冷却性能，同时重量轻，体积小。这些散热器通常优先用于电动汽车和电力电子设备的冷却。

IQ evolution针对高性能半导体器件的热耗散瓶颈，开发3D打印技术的微型散热器，比如TO封装的冷却，模块的冷却，无源元件（电感器等）的冷却，大功率激光二极管的冷却等。在很小的空间内，这些具有数百W / cm 2热通量密度的微型散热器用来应对功率半导体的巨大发热量。

图1：IQ-Big 53 3D打印散热器（右侧）用于组装两个Semitop模块

（图片：IQ evolution）

3D打印金属散热器可安全可靠地冷却具有高达数百W / cm 2热通量密度的功率器件。本文概述了3D打印微型散热器在电力电子中的应用，以及其在降低重量和体积上巨大优势。

自2006年以来，IQ evolution使用激光粉末床熔合的3D打印工艺（简称LPBF），进行微型流体散热器的开发。在这种也称为选择性激光熔化的技术中，CAD系统将机械组件模型分解为许多单独的层，然后图层模型通过数据处理并输出到3D打印机，接着3D打印机使用激光束在粉末床上一层接一层的打印创建的复杂组件。3D打印技术无需使用其他加工工具，但可以提供无法用任何其他制造工艺生产的内部结构。

1、3D打印微型散热器的多种用途

3D打印的不锈钢散热器早已进入电子开发实验室，其冷却性能和冷却功率输出在碳化硅功率半导体上的应用，令人印象深刻。这些SiC元件能够以97％到99％的效率传输非常高的功率，但只有在消除了功率损耗导致的散热限制后，才能稳定实用。此时，热量损耗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，被动散热元件成为IQ evolution的关注焦点。比如，大电流线圈的冷却需求在不断增加，如果散热不良，将几个这样的线圈装在设备外壳中时，将导致内部温度太高，而无法安全操作。此时，厚度仅为0.8毫米的IQ Thin cooler是个合适的解决方案，这些散热组件总能在有限的空间中被可靠安装。

3D打印的微型散热器，能够不显著扩大设备外壳情况下，可靠并且以节省空间的方式用于车辆传感器数据图形处理芯片（SoC）的冷却。

另外，IQ-evolution正在研究的另一个解决方案是电源导轨的冷却。这些母线以高电流连接功率电子设备中的组件，因此必须有效地消除导体内部以及接触点电阻所产生的多余热量，IQ-evolution正在为这个新的应用领域开发合适的3D打印解决方案。

2、3D打印金属材料及其导热系数

为了实现批量生产，IQ Evolution开发团队致力于对小型结构件进行金属3D打印开发。对于散热器应用，就其热导率而言，图1 IQ-Big 53系列散热器所使用的材料（不锈钢1.4404）远远落后于铜和铝。

图2：生产IQ-Big 53散热器需要的1.4404不锈钢粉末。

（图片：IQ Evolution）

不可否认，材料的导热系数很重要，但不是决定性因素。由于极小的壁厚，经IQ-Big 53 散热器散发的热量仅需通过约0.15毫米的距离。因此，与其它部件的热阻相比，散热器热阻可忽略不计，这时不锈钢1.4404的热导率是满足要求的。

图3：将图1中的IQ Big 53散热器组装在两个Semitop模块上（双层封装的尺寸：60 mm x 55 mm x 24 mm（HxWxD）），重量约为100克。

（图片：IQ Evolution）

考虑到不同的冷却设计，对于具有良好导热性的材料，设计的目标是让其具有尽可能大的表面以实现热交换。然而，在使用IQ Big 53 3D打印微型散热器时，所利用的原理是不同的，微型散热器以独特的方式产生湍流，以便将热量带走。因此，这种类型的冷却，与内部结构材料的热导率几乎没有关系。

IQ Big 53系列3D打印微型散热器，特殊的形状和表面结构为良好的冷却性能做出了重要贡献。有别与传统的散热结构，这样的微型结构不应称为冷却结构，称之为湍流器更合适。经多年的密集开发工作，最终这些湍流器是经过使用人工智能（AI）进行复杂的优化并被制造出来的。

IQ Evolution开发了针对不同电源模组的3D打印散热器。亚琛工业大学（ISEA）电力电子和电气驱动研究所使用这些散热器对Easypack或Flow等不同供应商的电源模组进行双面冷却，在实际环境中已证明了每面具有700 W的冷却功率，即每台散热器模组具有1.4 kW的冷却能力。

图1是IQ-Big 53系列散热器在汽车应用中的一个版本（低压损，高流量），在100 mbar的压差下实现了2.2 l / min的流量。这已经足以实现上述高达单面700W的冷却性能。与此同时，IQ-Big 53重量很轻，仅重33克。

3、3D打印散热器的批量生产和价格

如此轻的重量表明，IQ-Big 53在设计阶段就已经考虑批量生产问题。通过优化重量，使用激光工艺熔化的粉末更少，与传统散热器相比，将不会导致巨大的价格差异。大批量生产中，成本还会相应降低。

评估3D打印散热器的价格，需要将眼光放在整个系统集成层面。往往，由于采用了更加高效的冷却方案，在设计允许的情况下可以减少昂贵的半导体器件（如SiC-MOSFET）数量。以下案例，客户要求冷却12个模块以获得210 kW的总输出功率，传统设计需要使用具有4.2 kW冷却能力的冷板（98%输出效率）。

IQ evolution的解决方案：使用具有双面冷却能力的微型散热器，单面具有700 W的冷却能力，双面冷却能力1.4kW。在使用制造商Semikron生产的Semitop模块时，只需在6个模块上放置3个IQ Big 53，即可提供210 kW输出所需的冷却能力。

节省的成本：系统的整体体积减小很多，重量从10公斤左右减少到500克以下，约减少了20倍，因此在重量敏感的应用中具有很大优势。此时，半导体模块的成本决定了系统总成本。在合适的供应来源下，模块数量减半将足以补偿3个IQ Big 53散热器的价格，更重要的是系统重量和体积显著下降。

经实际批量生产3D打印金属散热器的经验表明，LPBF工艺在原型构造和灵活性方面具有优势，几乎具有无限的设计自由度，并且适合小批量生产过程中频繁的工艺切换。目前，市场可以提供适用于小型结构3D打印机器，满足高达10万个/月的大批量生产。

为带有集成接触衬套的线轴优化的3D打印散热器（图片：IQ Evolution）

4、特殊合金和新型金属组合

根据解决方案的要求，在3D打印过程中可以使用不同的金属和金属合金制作散热器。耐热性，热导率和冷却能力，热膨胀或电导率的要求决定了散热器材料的选择。如有必要，可使用特殊合金或开发新型金属组合，也可以生产由多种材料组成的混合组件。

根据所使用的散热器材料，3D打印的壁厚可以达到约80 µm。在热管理领域，为了满足产品要求，优化流量控制、微结构设计和材料性能至关重要。在大批量机器和粉末采购，并启动大规模生产后，单个IQ-Big-53系列散热器的价格将远远低于30欧元。

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