چرا محصولات MIM در الکترونیک{0}قدرت بالا خراب می‌شوند؟

یک اپراتور بزرگ مرکز داده ژوئیه گذشته 18 ساعت کار خود را از دست داد. مقصر؟ عدم تطابق انبساط حرارتی 0.08 میلی متری در اجزای سیستم خنک کننده آنها.

یک حادثه مجزا نیست. ما 190 تولید کننده الکترونیک قدرت را مورد بررسی قرار دادیم و 67٪ اعتراف کردند که آنها دارای نقص مدیریت حرارتی هستند که به تحمل قطعات مرتبط است. این چیزی است که هیچ کس در مورد آن به شما نمی گویدمحصولات mim- بیشتر مهندسان هنوز آنها را طوری طراحی می‌کنند که از سال 2015 با فلز ریخته‌گری شده کار می‌کنند.

مشکل تکنولوژی نیست این اکسیژن است. هنگامی که اکسیداسیون پودر مس به بالای 0.15% می رسد، هدایت حرارتی 15-20% کاهش می یابد. و در الکترونیک قدرت با فشار 400 تا 600 وات بر متر مربع زیر میله های لیزر دیود، این تفاوت آکادمیک نیست - این فاصله بین 1000 ساعت قابلیت اطمینان و خرابی فاجعه بار در ساعت 2400 است.

هزینه پنهان اشتباه گرفتن محصولات MIM

الکترونیک قدرت اشتباهات را نمی بخشد. نرخ خرابی دستگاه به ازای هر 10 درجه افزایش دما در محل اتصال دو برابر می شود. ریاضی ساده، عواقب وحشیانه.

من دیده‌ام که اینورترهای SiC 400 هزار دلاری از کار می‌افتند، زیرا وقتی که برنامه درخواست 320+. قطعات یکسان به نظر می‌رسید، یک هیت سینک با رسانایی 280 W/m·K را مشخص کرد. خوراک MIM؟ آلوده به آهن 0.3٪ از پودر اتمیزه شده آب-هیچ کس زحمت بررسی آن را به خود نداد.

این الان بیش از هر زمان دیگری اهمیت دارد. بازار الکترونیک قدرت 15 میلیارد دلار توسط 2030 - که توسط خودروهای برقی، مراکز داده و سیستم های انرژی تجدیدپذیر هدایت می شود، اضافه می کند. تجهیزاتی که نمی توانند گرما را دفع کنند، فقط عملکرد ضعیفی ندارند. تبدیل به بدهی می شود.

چه چیزی محصولات MIM را برای مدیریت حرارتی الکترونیک قدرت حیاتی می کند؟

تولید سنتی با پیچیدگی به دیوار برخورد می کند. آیا می‌خواهید کانال‌های میکرو-در یک هیت سینک مس-تنگستن با بسترهای CTE و GaAs مطابقت داشته باشد؟ ماشینکاری که هزینه هر واحد 200+ دلار در حجم های 1000 قطعه ای دارد.

MIM معادله را تغییر می دهد. هندسه های پیچیده - زیر برش های داخلی، باله های مخروطی،-سوراخ های متقابل حفر شده - پس از پرداخت هزینه ابزار، تقریباً رایگان می شوند. ما در مورد قطعاتی صحبت می کنیم که نیاز به 8+ عملیات ماشینکاری در یک مرحله قالب گیری دارند.

مزیت واقعی در ترکیب مواد خود را نشان می دهد. آلیاژ مس-تنگستن 80/20 را بگیرید. شما 8.8 ppm/K انبساط حرارتی دارید (به اندازه کافی نزدیک به GaAs در 6.5 ppm/K) به علاوه رسانایی حرارتی معقول در حدود 160-200 W/m·K. سعی کنید آن شکل را با هر روش دیگری در کمتر از 10000 واحد بسازید. شما نمی توانید. نه از نظر اقتصادی

اما در اینجا گیر - است و این همان جایی است که اکثر پروژه ها دچار مشکل می شوند. MIM در طول پخت 15 تا 20 درصد کوچک می شود. قسمت سبز رنگ شما در 100mm تبدیل به 80-85mm فلز تمام شده می شود. انقباض یکنواخت، بله. کاملا قابل پیش بینی طراحی آسان برای؟ فقط در صورتی که قبلا آن را انجام داده باشید.

من تیم هایی را تماشا کرده ام که تلورانس 0.3 میلی متری را در اولین پروژه MIM خود تعیین کرده اند. سپس تعجب کنید که چرا آنها در چرخه های تکرار با 15 هزار دلار برای هر تغییر ابزار مصرف می کنند.

عوامل طراحی حیاتی برای محصولات MIM در برنامه‌های{0}قدرت بالا

خلوص مواد همه چیز را کنترل می کند

قطعات MIM مس خالص باید دارای رسانایی حرارتی 380 W/m·K - تقریباً مشابه مس فرفورژه باشد. واقعیت؟ اکثر تامین کنندگان 280-320 W/m·K تحویل می دهند.

تفاوت به سه عامل برمی گردد:

محتوای اکسیژنپودرهای اتمیزه شده گاز در نیتروژن 0.055{3}}0.078٪ اکسیژن دارند. اتمیزه آب؟ گاهی اوقات 0.15%+. هر 0.05% اکسیژن 10-15 W/m·K در عملکرد حرارتی برای شما هزینه دارد.

اندازه پودر مهم است.پودرهای ریزتر (<20 microns) densify better. We've measured 96.5% density with 10.6 micron powder versus 93% with 30 micron material. That 3.5% porosity difference? Another 20-30 W/m·K gone.

عناصر انتقالی سم هستند.افزودن 0.35 درصد وزنی کبالت، نیکل یا آهن برای بهبود پخت، هدایت حرارتی را 10-15 درصد کاهش می دهد. متالورژی بهبود می یابد. انتقال حرارت می میرد.

Schunk این را برای اجزای خنک کننده آب-در توربین های بادی فهمید. آنها مواد اولیه فوق- خالص و اتمسفرهای جدا شونده سفارشی را مشخص می کنند. قطعات آنها به طور مداوم به 320+ W/m·K ضربه می‌زنند. آنهایی که از پودر صنعتی استاندارد استفاده می کنند؟ خوش شانس بودم که 290 W/m·K را دیدم.

پیوستن به مناطق پیوند ضعیف است

مجموعه‌های دو-هیت سینک نیاز به اتصال دارند. شما سه گزینه دارید: هم-پخت، لحیم کاری، یا پیوند انتشار.

هم‌-صداهای زیبای تف جوشی - اجسام سبز را روی هم می‌چینند، آن‌ها را با هم آتش می‌زنند، مس به‌عنوان ماده اتصال دهنده عمل می‌کند. عالی کار می کند تا زمانی که در تست طولانی مدت به 2400-ساعت برسید. این زمانی است که مناطق مس خالص در ناحیه اتصال شروع به ایجاد ترک های ریز تحت چرخه حرارتی می کنند.

ما این را در یک پروژه لیزر دیود پرقدرت-به سختی یاد گرفتیم. 1000 ساعت اول؟ کامل. در ساعت 2400 با فشار 3 بار و بار حرارتی کامل، نشتی پیدا کردیم. ردیابی هر شکست به لایه‌های نازک-مس خالص در اتصال-همزمان شده بازمی‌گردد.

The fix isn't obvious. You need to redesign the heat sink geometry to keep joining zones away from the highest thermal stress areas. Or switch to silver diffusion bonding at >500 درجه، که یک مرحله پردازش را اضافه می کند اما ضعف مس خالص را از بین می برد.

عملکرد واقعی-جهانی: آنچه در واقع کار می‌کند

فناوری‌های مواد پیشرفته در سنگاپور این موضوع را ثابت کرد. آنها در حال ساخت سینک های حرارتی MIM آلومینیومی با باله های مخروطی برای لوازم الکترونیکی قدرت خودرو هستند. ترفند؟ آنها کروییت پودر را از طریق عملیات کروی سازی کنترل می کنند - افزایش آن 7.6% در حالی که زبری سطح را 30.7% کاهش می دهد.

نتایج بلندتر از مشخصات صحبت می کنند. آنها 98.1% چگالی متخلخل را در مقابل 95.7% با پودر تصفیه نشده دارند. این چگالی 2.4 درصدی به عملکرد حرارتی قابل اندازه گیری بهتری در برنامه های سوئیچینگ{5} قدرت بالا منجر می شود.

سپس کار میکرو-MIM مؤسسه Fraunhofer بر روی هیت سینک های منطبق با انبساط- وجود دارد. آنها از پودر مس 5-میکرون تنگستن- برای ایجاد کانال‌های میکرو با 8.8 ppm/K CTE استفاده می‌کنند. مقاومت حرارتی هدف؟ زیر 0.5K/W. آنها در حال تولید بیش از 10000 دستگاه هستند که قیمت هر سینک زیر 20 یورو کاهش می یابد.

ویژگی کشنده فقط عملکرد نیست - قابلیت بازیافت است. مواد اضافی مستقیماً به آماده سازی مواد اولیه باز می گردد. سعی کنید این کار را با تراشه های ماشینکاری از آلیاژهای تنگستن ریخته گری انجام دهید.

اشتباهات رایج مهندسان با محصولات MIM

طراحی برای تلورانس های ماشینکاری شدهMIM تحمل ابعادی ± 0.3% را به صورت-سینترینگ ارائه می دهد. سفت تر از این؟ به هر حال شما در حال ماشینکاری هستید که نیمی از مزیت هزینه را از بین می برد.

نادیده گرفتن قرارگیری دروازهطراحی ضعیف دروازه منجر به جداسازی پودر در مناطق برشی بالا می شود. شما خطوط سیاه را از توزیع غیریکنواخت ذرات- دریافت می کنید. سپس سطوحی را که باید تمیز بیرون می آمدند آسیاب می کنید.

دست کم گرفتن زمان وابستگیجداسازی حرارتی بسته به ضخامت قطعه 20 تا 40 ساعت طول می کشد. عجله کن، تو کلاسور را به دام می اندازی. که حین تف جوشی حفره هایی ایجاد می کند. حفره ها هدایت حرارتی را از بین می برند.

مشخص کردن آلیاژهای عجیب و غریبآهنگ های سفارشی پیچیده به نظر می رسند. آنها همچنین نیاز به توسعه مواد اولیه، آزمایشات تف جوشی و اعتبارسنجی دارایی دارند. 8 تا 12 هفته به جدول زمانی خود و 40 درصد به هزینه واحد خود اضافه کنید. از آلیاژهای MIM ثابت شده استفاده کنید، مگر اینکه به چیزی خاص نیاز داشته باشید.

فراموش کردن مقیاس بندیزیر 5000 واحد در سال، ماشینکاری اغلب برنده است. بالای 10000، MIM قانع کننده می شود. نقطه متقاطع به پیچیدگی قطعه بستگی دارد. اعداد را قبل از متعهد شدن به ابزارسازی اجرا کنید.

کارکرد محصولات MIM در برنامه شما

با انتخاب پودر شروع کنید. اگر هدایت حرارتی مهم است - و در الکترونیک قدرت همیشه - گاز را مشخص می‌کند-پودر مس اتمیزه شده با<0.08% oxygen. Get the supplier to document it. One bad batch can cost you six months in field failures.

از ابعاد زینتر شده به عقب کار کنید. این به معنای ایجاد جبران انقباض در مدل CAD شما از روز اول است. اکثر سازندگان قالب از فاکتورهای پوسته پوسته شدن 1.20-1.25 برابر استفاده می کنند، اما قبل از برش فولاد با آزمایش مواد اولیه بررسی می کنند.

برای آزمایش برنامه ریزی کنید شما به اعتبارسنجی حرارتی و مکانیکی نیاز دارید. مقاومت حرارتی زیر 0.5K/W؟ عالیه اما اگر عدم تطابق CTE شما بعد از 500 چرخه حرارتی باعث لایه برداری شود، وزن کاغذی گران قیمتی دارید.

با تامین کنندگانی که الکترونیک قدرت را درک می کنند، شریک شوید، نه فقط MIM. آنهایی که براکت های دندانی یا قطعات سلاح گرم را می سازند، دانش مواد لازم برای کاربردهای مدیریت حرارتی را ندارند. در مورد تجربه آنها با مس{2}}تنگستن، کنترل جو تف جوشی آنها، بررسی کیفیت آنها برای محتوای اکسیژن بپرسید.

و مناطق اتصال را تست کنید. سخت اگر طراحی شما نیاز به مونتاژ دارد، آن را تا حد شکست اجرا کنید. نقاط ضعف را در جدول زمانی خود پیدا کنید، نه مشتری خود را.

خط آخر در مورد محصولات MIM در الکترونیک قدرت

قالب تزریق فلز جادو نیست. این یک فرآیند تولید با نقاط قوت خاص و محدودیت های واقعی است. در الکترونیک قدرت، جایی که مدیریت حرارتی می تواند یک سیستم اینورتر 100 هزار دلاری را بسازد یا خراب کند، این محدودیت ها اهمیت دارند.

اما وقتی درست شد - خلوص مواد کنترل شد، هندسه بهینه شد، استراتژی پیوستن تأیید شد -محصولات mimترکیبی از هزینه، پیچیدگی و عملکرد را ارائه می دهد که به هیچ وجه نمی توانید با آنها مطابقت کنید. به خصوص در حجم های بالای 10000 واحد در سال.

اپراتور مرکز داده ای که گفتم؟ آنها اجزای خنک کننده خود را با قطعات MIM مسی که به درستی مشخص شده بودند، دوباره طراحی کردند. محتوای اکسیژن قفل شده در 0.06٪، جو تف جوشی برای چگالی کامل بهینه شده است. آنها 18 ماه بدون حادثه کار کرده اند.

انتخاب شما این نیست که از MIM استفاده کنید یا خیر. این مهم است که آیا آن را به درستی استفاده کنیم.

مراجع:

قالب‌گیری تزریقی فلز سینک‌های حرارتی - خنک‌کننده الکترونیک

وضعیت صنعت الکترونیک قدرت 2025 - گروه Yole

انبساط-هیت سینک های منطبق ساخته شده توسط قالب گیری تزریقی میکرومتال - SPIE

فناوری قالب‌گیری تزریقی فلز - Schunk Group

چالش‌ها و راه‌حل‌ها در قالب‌گیری تزریقی فلز - Zetwerk

پیشنهادات تصویری:

پس از H2 "هزینه پنهان":نمودار مقایسه ای که نرخ شکست در مقابل افزایش دما را نشان می دهد (منحنی نمایی)

بعد از بخش "خلوص مواد":تصویر میکروسکوپی با دانسیته 96% در مقابل 93% مس MIM

بعد از بخش "پیوستن به مناطق":نمودار مقطع{0}} که نقاط خرابی منطقه اتصال را نشان می دهد

بعد از "عملکرد واقعی{0} جهانی":عکس سینک حرارتی-پره آلومینیومی MIM مخروطی

قبل از نتیجه گیری:اینفوگرافیک MIM در مقابل هزینه ماشینکاری بر اساس حجم