采用不同技术对液冷板制造成本的影响

冷板制造最大的两个成本动因是散热性能要求和年需求量。热设计与制造工程师很难控制这两项因素，但仍可通过调整多项冷板特性来影响液冷板成本。冷板的粗糙度、平整度、硬度、表面形貌、安装特征以及冷却液连接规格，都是设计人员可单独调整的变量。通过考虑制造成本动因，可挑选性价比最优的设计。

大多数冷板采用铝制成，但一些新技术会使用铜。虽然铜的导热性能更好，但铝更常用，原因是其成本更低、重量更轻，并且更易于加工。铜的加工难度可能较大且成本较高。如果铝能够满足热性能规格要求，通常会是优先使用的材料。

铝制冷板最常用的两种技术是管式冷板和真空钎焊冷板。管式冷板通常是将铜管或不锈钢管压入通道式铝挤压型材中。上述方案性价比高，可为中低功率密度的应用提供良好的整体散热。真空钎焊冷板由两块板材通过冶金结合方式连接而成，内部带有翅片。可提供各种尺寸，并具有极高的性能，非常适合热负载集中的应用。管式冷板和真空钎焊冷板两种技术所需的人工工时都较为有限。因此，对于中等规模的生产而言，美国冷板制造商相比海外制造商通常具备竞争优势。海外采购带来的人工成本优势，通常会被运费、关税以及长运输周期带来的库存成本所抵消。海外采购实现成本节省的起订数量通常约为每年 10,000 块冷板乃至更多。

铝制冷板的另外两大成本动因是加工时间和附加加工步骤。冷板制造商通常按照机加工时间核算成本，其中包含设备折旧、电力、耗材以及维护费用。因此，冷板在机床上加工的时间越长，成本就越高。每增加一个加工步骤，都会继续推高成本。

挤压件和铸件

为尽量缩短加工时间并降低成本，最好尽量采用挤压件和铸件。挤压件是通过将金属推过模具，制成具有固定横截面的工件。新型挤压件的模具成本相对较低，但挤压件的尺寸宽度通常限制在约 9 英寸（22.86 厘米）。挤压件的壁厚需要保持相对一致，且流道或特征均必须为直线。

制造商还可以将挤压与加工结合使用，以降低成本。挤压工艺可用于成型部分特征，更复杂的特征则可通过机加工制作。另一种原型制作方案是，先以机加工制作较小数量的冷板，待设计验证并定型后，再制作挤压模具。只要在设计冷板时考虑到挤压特征，这种方案将有助于降低挤压成本。

也可结合使用铸造和机加工工艺制造冷板。例如，如果铸件平整度不足，就需要进行二次加工，使冷板达到要求的平整度规格。需要注意的是，砂型铸造件不可用于制作真空钎焊冷板，因为该工艺所用多数合金的熔点均低于真空钎焊温度。砂型铸造件仅限用于管式冷板。建议获取两种生产工艺的报价，权衡利弊后再做选择。

通常，挤压件或铸件的起订量较高，因此需要合适的应用场景，采用此类工艺才具有合理性。挤压件和铸件均可带来可观的整体成本节约。

常规机加工冷板表面光洁度为 32-64 µin (81-163 µcm)，这一规格足以满足大多数应用的需求。使用标准加工中心可将粗糙度降低到 16 µin (41 µcm)，但需要刚性更强的夹具来减少潜在的颤振，同时也降低了加工主轴的转速和进给速度。（转速是刀具主轴旋转的速度，进给速度是刀头在冷板上移动的速度。） 降低转速和进给速度会延长加工中心工时，成本也会随之上升。

大多数应用会在部件/电路板与冷板之间使用导热界面材料 (TIM)，以帮助尽量减少间隙。导热界面材料应尽可能薄，因其热阻远大于表面更光滑带来的导热改善。增大部件或电路板与冷板之间的夹紧力也有助于抵消较高粗糙度带来的影响，但会增加电路板或部件承受的应力。当冷板与部件/电路板升温时，夹紧应力还可能加剧热膨胀系数 (CTE) 不匹配带来的影响。

表面平整度

表面平整度对冷板热性能的影响大于表面粗糙度，如果冷板表面不平整，实际接触面积会大幅减少（见图 2）。标准平整度规格为 0.001 英寸/英寸（0.003 厘米/厘米）。因此，在距测量点 1 英寸范围内，冷板最低点相对最高点的下沉量不超过 0.001 英寸（0.003 厘米）。如果您的规格要求平整度优于 0.001 英寸/英寸（0.003 厘米/厘米），一种节省成本的方法是指定局部平整度，而不是对整块冷板提出严格的平整度要求。例如，如果您要在冷板上安装多个绝缘栅双极型晶体管 (IGBT)，并且每个 IGBT 都要求整个底板达到 0.001 英寸/英寸（0.003 厘米/厘米）的平整度，只需规定单个 IGBT 的局部平整度，而无需要求整块冷板都保持平整。

冷板的校平工艺通常使用液压机完成。可采用刮铣改善平整度。采用刮铣时，机床会确定冷板的最低点，在最低点仅刮除极少量金属，并在较高区域按需要刮除更多金属，以获得平整表面。对铝坯进行刮铣难度较低，但对真空钎焊冷板或管式冷板的布管侧进行刮铣加工难度较高。真空钎焊冷板的冷却表面以及管式冷板中的管路通常为了优化热性能会制作得较薄。如果冷板不平，刮铣可能会切削过深，导致壁厚变薄，承压能力减弱，甚至出现破损泄漏。或者，可以选用更厚的冷板开始加工，以消除泄漏风险，但会牺牲一部分性能。

表面形貌

最小化表面形貌复杂度对于控制成本也很重要，在电路板应用中尤其如此。复杂的表面形貌通常需要使用较厚的铝坯，机加工去除多余的铝材。这会产生高昂的原材料成本和过长的机加工工时。如果无法避免复杂形貌，可以将电路板上高度相近的元件集中布置，以降低机加工要求。

安装特征/安装孔

冷板制造中的另一个成本增加因素是额外开孔。每开一孔可能使冷板成本增加高达 3 美元。开孔增加成本的主要原因之一是不能在流道内制作开孔。因此，对于管式冷板而言，管材需要避让孔位做折弯，每一处折弯都会增加成本。真空钎焊冷板则需要在流道内制作避让岛，这就需要对内部翅片进行电火花加工 (EDM)。这会显著增加大量机加工时间和成本。

开孔的类型

开孔有多种类型。一种是通孔，从冷板的一侧贯穿到另一侧。第二种是攻丝孔，孔内有螺纹。由于铝相对较软，如果频繁更换部件或电路板，攻丝孔的使用寿命就会缩短。攻丝孔经常搭配使用螺纹护套。螺纹护套是一种坚固的钢制嵌件，可在需要频繁更换部件的应用中增加螺纹强度。通孔只需一道钻孔工序即可制成，攻丝孔则需要在同一机床条件下额外增加刀具。需要制作攻丝孔用于安装螺纹护套，并且需要在加工中心之外另行完成螺纹护套本身的安装。总而言之，通孔成本最低，螺纹护套成本最高。

孔位与公差

对孔位和孔距的严格公差要求也会推高成本。合理的公差规格为 ±0.005 英寸（±0.013 厘米）。与平整度类似，尽可能指定局部公差可以降低成本。对于大型冷板，孔之间的距离较远，公差就更难保证。原因之一是，机床刀头移动行程越大，机床公差就越大。另一个原因是，机加工车间可能存在高达 18°F (10°C) 的温度梯度，这会导致冷板膨胀或收缩高达 0.005 英寸（±0.013 厘米）。通孔最容易实现较严格的公差，仅需一次刀具加工即可制成通孔，而攻丝孔需要两套刀具，公差控制难度更高。螺纹护套的公差最难控制，因为该工艺需要先制作攻丝孔，而且螺纹护套本身也存在公差。所有公差叠加，会提升制造难度和成本。避免使用小尺寸攻丝孔也有助于降低成本。4-40 或更小的孔径攻丝难度高，钻孔过程中丝锥容易断裂。为尽量减少这个问题，机床必须降低运行速度。应对冷板严格公差要求的一种方法是增大部件或电路板上的安装孔尺寸。

冷却液连接

在冷却液连接方面，直螺纹 O 型圈内螺纹端口通常效果最优。不同于焊接系统，它能够以最低的成本实现最佳的密封效果。NPT 接头这类管路连接件达不到冷板等部件所需的精度。真空钎焊冷板应避免使用倒钩接头、滚珠接头等外螺纹接头，因为这类接头需要焊接等额外工序才能完成装配。此外，伸出冷板外部的接头在运输过程中需要加以保护，会增加包装成本。快速断开接头应仅在必要时使用，因为单对接头的成本可能高达 750 美元。必须频繁更换或维护的冷板或电子设备，需要使用快速断开接头。在出厂时已充注冷却液的冷板也需要配备快速断开接头。对于冷却液连接，还需要考虑端口公差。通常，入口管路具有一定的弯曲余量。合理的公差范围为 ±0.030 英寸（0.076 厘米）至 ±0.060 英寸（0.152 厘米）。

设计与制造合作

在冷板设计早期就与冷板制造商合作，或在按图纸加工的设计中保持灵活性，有助于实现最大程度的成本节省。尽管散热性能要求和年需求量是冷板制造的两大主要成本动因，但热设计和/或部件工程师还可控制许多其他影响因素。确保每一项规格要求都是合理的，有助于控制成本，因为每一项规格都可能推高成本。务必要确定粗糙度、平整度、表面形貌、硬度、安装特征与孔位，以及冷却液连接等规格分别在何时需要纳入考量。此外，还应认识到，无论是产品设计，还是制造工艺，都存在多种替代方案，可以节约数百甚至数千美元的制造成本。

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