열 싱크 정밀 제조 공정 대결: 압출, 삽 톱니, 다이 캐스팅, 단조 및 CNC의 비용 성능 맵
첫째, 프로세스 선택에 따라 열 성능의 상한이 결정됩니다.
열제거원의 최종 열저항은 재료의 열전도율(재료에 의해 결정됨), 대류 열전달 영역(기하학에 의해 결정됨), 계면 열저항(제조 정확도에 의해 결정됨)을 결합하여 형성됩니다. 제조 공정은 달성 가능한 기하학적 자유도, 치수 정확도 및 내부 결함 수준을 결정하여 성능에 최대 30%의 차등 효과를 가져옵니다.
둘째, 알루미늄 압출 프로세스: 효율성의 왕이지만 부드러움 비율에 따릅니다.
알루미늄 압출은 열제거원을 제조하는 가장 오래되고 저렴한 기술입니다. 알루미늄 막대를 450-500°C로 가열한 후 압출기(일반적으로 500-5000톤의 압출 압력)를 사용하여 금속이 금형을 통해 흐르게 하여 긴 스트립을 형성한 다음 원하는 길이로 절단됩니다. 압출 공정의 장점은 금형 비용이 상대적으로 저렴하고(약 2000-8000달러), 금형 설계를 통해 복잡한 비대칭 모양(예: 비대칭 지느러미, 홈이 있는 베이스 플레이트)을 실현할 수 있으며 재료 활용률이 95% 이상에 이를 수 있다는 것입니다
그러나 압출 과정은 열제거원의 성능에 두 가지 근본적인 한계가 있다: 가느다란 비율 한계와 최소 치아 두께. 가느다란 비율(지느러미 높이와 뿌리 두께의 비율)은 일반적으로 20:1을 초과하지 않습니다. 이 값을 초과하면 알루미늄 소재가 고르지 않은 냉각으로 인해 다이 콘센트에서 구부러지고 찢어집니다. 즉, 지느러미 높이가 60mm여야 하는 경우 두께가 3mm 이상이어야 하므로 단위 부피당 열 소산 면적이 심각하게 제한됩니다. 반면에 최소 치아 두께는 0.8-1mm(합금 및 압출기 용량에 따라 다름)로 제한되어 삽 치아 공정의 0.3mm 얇은 치아 수준에 도달할 수 없습니다. 따라서 압출 열제거원은 저
셋째, 삽 이빨의 절단 과정: 부드러움 비율의 공기역학을 돌파합니다.
플라닝, 정밀 절단이라고도 하는 삽 톱니는 수치 제어 도구를 통해 단일 금속(알루미늄 또는 구리) 기질에서 하나씩 "삽" 지느러미를 만듭니다. 가공 과정: 특수 주걱을 공작물에 비스듬히 자르고 거리를 향해 앞으로 밀었다가 들어 올려 직립 지느러미를 형성합니다. 그런 다음 공작물을 치아 간격에 끼우고 위의 동작을 반복합니다. 지느러미의 두께, 높이 및 간격은 공구 기하학과 단계 양에 의해 독립적으로 제어되며 재료 유동성에 의해
삽 톱니 프로세스는 톱니 두께가 0.2-0mm, 톱니 간격이 0.5-1mm, 톱니 높이가 100mm 이상인 극한의 기하학적 구조를 달성할 수 있습니다. 핀과 베이스 플레이트는 동일한 재료이며 용접 또는 피팅 인터페이스가 없으므로 접촉 열 저항이 없습니다. 이 기능은 고출력 밀도 시나리오(예: 100W 이상의 LED, IGBT 모듈, 5G 기지국 AAU)에서 매우 중요합니다. 실험 데이터에 따르면 동일한 부피와 공기량에서 삽 톱니 라디에이터의 열 저항은 알루미늄 압출 라디에이터에 비해 15-25% 감소하며 톱니 쉐이퍼 라디에이터보다 10-15%
삽 치아의 비용 단점은 심각한 재료 폐기물(금속의 약 40%를 칩으로 절단), 긴 처리 시간(개당 몇 분에서 수십 분), 매우 빠른 도구 마모(한 달에 여러 번 교체해야 함)입니다. 또한 삽 치아 프로세스는 공작기계의 높은 강성을 요구하며 일반적으로 무거운 간트리 밀링 머신이나 특수 삽 치아 머신에서 수행해야 합니다. 전반적으로 삽 치아 한 조각의 비용은 압출의 5-10배로 중소 배치 및 성능 우선 시나리오에 적합합니다.
IV. 쉐이핑/리벳 프로세스: 높은 지느러미 밀도를 위한 낮은 비용
쉐이퍼는 베이스 플레이트의 홈에 기계적으로 삽입(압착, 리벳, 접착)되는 길고 미리 압출 또는 압연된 핀입니다. 이 "분할" 구조는 지느러미와 베이스 플레이트를 다른 재료(예: 구리 베이스 플레이트 + 알루미늄 핀)로 만들 수 있으며 지느러미 두께는 0.3mm까지 얇고 간격은 1.0mm까지 작을 수 있습니다. 쉐이퍼 공정은 재료 활용도가 높으며(지느러미는 별도로 압출되고 손실은 작음) 값비싼 대형 치아 삽질 기계가 필요하지 않습니다.
그러나 쉐이퍼의 아킬레스 힐은 접촉 열 저항입니다. 피팅 조임이 아무리 높아도 지느러미 뿌리와 베이스 플레이트 사이에는 항상 미세한 틈이 있으며, 이러한 틈새의 공기 층의 열 저항은 금속보다 수백 배 더 높습니다. 열전도성 접착제를 채워도 등가 열 저항은 여전히 통합 구조보다 훨씬 높습니다. 고열 플럭스의 경우 쉐이퍼에서 국소 핫 스팟이 생성되어 핀 루트의 온도가 베이스 플레이트의 평균 온도보다 훨씬 높고 열 전달 효율이 저하됩니다. 쉐이퍼 라디에이터의 내열성은 보통 삽 톱니보다 20-30% 높기 때문에 산업용 장비에 더 적합합니다. 적당한 열 흡수 및 적재
다이 캐스팅 프로세스: 복잡한 3차원 기하학에 대한 유일한 솔루션
압력 주조는 용해된 알루미늄 합금(예: ADC12)을 고속으로 정밀 금속 금형에 주입하여 급속 냉각 및 형성합니다. 다이 캐스팅은 복잡한 내부 흐름 채널, 특수 모양의 마운트 및 부분 삽입물로 열 방출 쉘을 생성할 수 있습니다. 예를 들어, 신에너지 차량 모터 컨트롤러 쉘은 일반적으로 다이 캐스팅에 의해 통합적으로 형성되며 외부 통합 열 방출 핀과 내부 통합 수냉 채널이 있습니다. 다이 캐스팅의 또 다른 장점은 표면
그러나 다이캐스팅 열제거원에는 세 가지 고유한 문제가 있습니다. 다공성(일반적으로 0.5-3%, 유효 열전도율 단면 감소), 최소 치아 두께 제한(금속 유량 전면의 응축으로 인해 치아 두께가 1.2mm 이상이어야 함), 열처리 강화에 부적합합니다(고온에서 모공이 팽창하고 부풀어 오름). 따라서 다이캐스팅 열제거원의 열전도율은 일반적으로 낮습니다(ADC12는 96W/(m·K)로 6063의 200보다 훨씬 낮습니다). 열전도율을 높이기 위해 DX17(열전도율은 약 180W/(m·K)))과 같은 높은 열전도율 다이캐스팅 합금을 선택할 수 있지만 가격은 크게 인상됩니다. 다이캐스팅 금형은 매우 비싸고 개발 주기가 4개월 밖에 되지
단조 공정: 최적의 기계적 특성이지만 기하학적 한계
알루미늄 또는 구리 막대는 큰 압력(수백 ~ 수천 톤)에서 닫힌 다이의 플라스틱 흐름에 의해 형성됩니다. 단조는 주조 결함을 제거하고 알갱이를 정제하며 부품의 기하학적 윤곽을 따라 금속 유선형을 분산시켜 강도 및 열전도율이 주조보다 우수하고 압출의 신장률 제한을 피할 수 있습니다. 고온 단조(재료 가열 및 재 단조)는 복잡한 모양을 형성할 수 있으며 저온 단조(상온 단조)는 정밀도가 높습니다. 열 싱크의 경우 단조는 기계적 요구 사항이 높은 열 싱크 또는 작은
단조의 한계는 (재료가 좁고 깊은 공동을 완전히 채울 수 없기 때문에) 높고 조밀한 지느러미를 단조하기 어렵다는 것이며, 일반적으로 높이가 30mm 미만, 두께가 1.5mm 이상인 지느러미에만 적합합니다. 다이 수명은 짧으며(특히 냉간 단조 다이는 균열이 발생하기 쉬움), 한 조각의 비용은 CNC 정밀 가공 다음으로 높습니다.
7, CNC 정밀 가공: 정확도의 한계이지만 대량 생산에는 비용이 적합하지 않습니다.
5축 CNC 가공 센터는 전체 금속에서 라디에이터의 복잡한 형상을 밀 수 있습니다. 공차는 ±0.02mm로 제어할 수 있으며 표면 거칠기는 Ra0.8에 도달할 수 있습니다. 그러나 재료 제거율은 매우 낮고 금속의 80%가 파편이 되며 단일 조각의 처리 시간은 최대 몇 시간입니다. 비용이 너무 높아서 비용 없이 항공 우주, 정밀 측정 기기 및 기타 분야에만 적합합니다. 최근 몇 년 동안 고속 밀링 및 동적 밀링 전략의 최적화로 일부 고밀도 열 싱크가 CNC에서 처리되기 시작했지만 여전히 삽 톱니의 크고 효율적인 생산 위치를 대체할
VIII. 프로세스 선택 결정 매트릭스
프로세스 핀 최소 두께 최대 부드러움 특정 접촉 열 저항 배치 경제 열전도도 손실(기질 대비)
압출 0.8mm20: 1Zero (통합) 우수한 0%
삽질 이빨 0.2mm80:1Zero (통합) 중간 0%
기어 쉐이퍼 0.3mm는 높이에만 국한되지 않지만 인터페이스는 추가입니다.
다이 캐스팅 1.2mm15:1Zero(통합) 30-40%(다공성)
단조 1.5mm10:1Zero(통합) 차이 0%
CNC 무제한 제로(통합) 범위 0%
IX. 요약 및 전망
미래를 내다보면 단일 제조 공정이 모든 요구를 충족시키기는 어렵습니다. 새로운 추세는 압출 기판 + 삽 톱니 핀(용접 또는 마찰 교반 용접으로 결합) 또는 3D 인쇄 금속 메시를 열 소산 구조(적층 제조)로 혼합하는 것입니다. 그러나 3D 프린팅은 현재 너무 비싸고 모공과 거친 알갱이(약 120W/(m·K))로 인해 인쇄 알루미늄의 열전도율이 크게 감소합니다. 진정한 엔지니어링 지혜는 "일체형 공정"에 대한 미신이 아니라 응용 프로그램의 특정 열 소비량, 볼륨 제약, 비용 및 용량 목표에 따라 올바른 프로세스 조합을 선택하는 것입니다.
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