เหตุใดผลิตภัณฑ์ MIM จึงล้มเหลวในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสูง-

ผู้ดำเนินการศูนย์ข้อมูลรายใหญ่สูญเสียเวลาทำการ 18 ชั่วโมงเมื่อเดือนกรกฎาคมปีที่แล้ว ผู้กระทำผิด? การขยายตัวทางความร้อน 0.08 มม. ไม่ตรงกันในส่วนประกอบระบบทำความเย็น

ไม่ใช่เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นอย่างโดดเดี่ยว เราสำรวจผู้ผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง 190 ราย และ 67% ยอมรับว่าพวกเขาประสบความล้มเหลวในการจัดการระบายความร้อนที่เชื่อมโยงกับความทนทานต่อส่วนประกอบ นี่คือสิ่งที่ไม่มีใครบอกคุณเกี่ยวกับสินค้าเลียนแบบ- วิศวกรส่วนใหญ่ยังคงออกแบบสิ่งเหล่านี้เหมือนกำลังทำงานกับเหล็กหล่อตั้งแต่ปี 2015

ปัญหาไม่ได้อยู่ที่เทคโนโลยี มันเป็นออกซิเจน เมื่อออกซิเดชันของผงทองแดงคืบคลานเกินกว่า 0.15% ค่าการนำความร้อนจะลดลง 15-20% และในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังที่ดัน 400-600W/m² ใต้แท่งเลเซอร์ไดโอด ความแตกต่างนั้นไม่ใช่เรื่องเชิงวิชาการ แต่เป็นช่องว่างระหว่างความน่าเชื่อถือ 1,000 ชั่วโมงและความล้มเหลวร้ายแรงที่ชั่วโมง 2400

ต้นทุนที่ซ่อนอยู่ในการรับผลิตภัณฑ์ MIM ผิด

อิเล็กทรอนิกส์กำลังไม่ให้อภัยความผิดพลาด อัตราความล้มเหลวของอุปกรณ์เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าสำหรับทุก ๆ 10 องศาอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นที่จุดเชื่อมต่อ คณิตศาสตร์ง่ายๆ ผลที่ตามมาอันโหดร้าย

ฉันเคยเห็นอินเวอร์เตอร์ SiC มูลค่า 400,000 ดอลลาร์ล้มเหลวเพราะมีคนระบุให้ระบายความร้อนที่มีค่าการนำไฟฟ้า 280 W/m·K เมื่อแอปพลิเคชันต้องการ 320+. ชิ้นส่วนดูเหมือนกัน วัตถุดิบ MIM? ปนเปื้อนด้วยธาตุเหล็ก 0.3% จากน้ำ-ผงที่ทำให้เป็นละอองซึ่งไม่มีใครสนใจที่จะตรวจสอบ

สิ่งนี้มีความสำคัญมากขึ้นกว่าเดิม ตลาดอิเล็กทรอนิกส์กำลังกำลังเพิ่มมูลค่า 15 พันล้านดอลลาร์โดย 2030 - ซึ่งขับเคลื่อนโดยรถยนต์ไฟฟ้า ศูนย์ข้อมูล และระบบพลังงานหมุนเวียน อุปกรณ์ที่ไม่สามารถระบายความร้อนได้ไม่ได้มีประสิทธิภาพต่ำกว่าปกติ มันจะกลายเป็นความรับผิดชอบ

อะไรทำให้ผลิตภัณฑ์ MIM มีความสำคัญต่อการจัดการความร้อนของ Power Electronics

การผลิตแบบเดิมๆ ต้องเผชิญกับความซับซ้อน คุณต้องการช่องไมโคร-ในตัวระบายความร้อนทังสเตนทองแดง-ที่มีซับสเตรต CTE กับ GaAs ที่ตรงกันหรือไม่ การตัดเฉือนที่มีราคา $200+ ต่อหน่วยที่ปริมาณ 1,000 ชิ้น

MIM เปลี่ยนสมการ รูปทรงที่ซับซ้อน - การตัดด้านล่าง ครีบเรียว - รูที่เจาะ - เกือบจะฟรีเมื่อคุณชำระค่าเครื่องมือแล้ว เรากำลังพูดถึงชิ้นส่วนที่ต้องใช้เครื่องจักร 8+ ที่ต้องยุบลงในขั้นตอนการขึ้นรูปขั้นตอนเดียว

ข้อได้เปรียบที่แท้จริงจะแสดงอยู่ที่การผสมวัสดุ ใช้ทองแดง-โลหะผสมทังสเตน 80/20 คุณจะได้การขยายตัวทางความร้อน 8.8 ppm/K (ใกล้กับ GaAs ที่ 6.5 ppm/K) บวกกับค่าการนำความร้อนที่เหมาะสมประมาณ 160-200 W/m·K ลองทำรูปทรงนั้นด้วยวิธีอื่นที่มีจำนวนต่ำกว่า 10,000 หน่วย คุณไม่สามารถ. ไม่เชิงเศรษฐกิจ.

แต่นี่คือสิ่งที่จับได้ - และนี่คือจุดที่โครงการส่วนใหญ่สะดุด MIM หดตัว 15-20% ระหว่างการเผาผนึก ส่วนสีเขียวของคุณที่ 100 มม. จะกลายเป็นโลหะสำเร็จรูป 80-85 มม. การหดตัวสม่ำเสมอใช่ คาดเดาได้อย่างแน่นอน ออกแบบง่ายเพื่อ? เฉพาะในกรณีที่คุณเคยทำมาก่อน

ฉันเคยดูทีมที่ยอมรับข้อกำหนด 0.3 มม. ในโครงการ MIM แรกของพวกเขา แล้วสงสัยว่าทำไมพวกเขาถึงต้องผ่านรอบการวนซ้ำที่ 15,000 ดอลลาร์ต่อการปรับเปลี่ยนเครื่องมือ

ปัจจัยการออกแบบที่สำคัญสำหรับผลิตภัณฑ์ MIM ในแอปพลิเคชันที่มีกำลังสูง-

ความบริสุทธิ์ของวัสดุควบคุมทุกอย่าง

ชิ้นส่วน MIM ทองแดงบริสุทธิ์ควรมีค่าการนำความร้อน 380 W/m·K - เกือบจะตรงกับทองแดงดัด ความเป็นจริง? ซัพพลายเออร์ส่วนใหญ่ส่งมอบ 280-320 W/m·K

ความแตกต่างเกิดขึ้นได้จากปัจจัยสามประการ:

ปริมาณออกซิเจนก๊าซ-ผงที่ทำให้เป็นอะตอมในไนโตรเจนใช้ออกซิเจน 0.055-0.078% ละอองน้ำ? บางครั้ง 0.15%+. ออกซิเจน 0.05% แต่ละอันมีค่าใช้จ่าย 10-15 W/m·K ในด้านประสิทธิภาพความร้อน

ขนาดแป้งมีความสำคัญผงละเอียด (<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.

องค์ประกอบการเปลี่ยนผ่านเป็นพิษการเติมโคบอลต์ นิกเกิล หรือเหล็ก 0.35% โดยน้ำหนักเพื่อปรับปรุงการเผาผนึก ทำให้ค่าการนำความร้อนลดลง 10-15% โลหะวิทยาดีขึ้น การถ่ายเทความร้อนจะตาย

Schunk คิดเรื่องนี้เกี่ยวกับ-ส่วนประกอบการทำความเย็นของน้ำในกังหันลม พวกเขาระบุวัตถุดิบตั้งต้นบริสุทธิ์-เป็นพิเศษและบรรยากาศการแยกส่วนแบบกำหนดเอง ชิ้นส่วนของพวกมันกระทบ 320+ W/m·K อย่างสม่ำเสมอ ที่ใช้ผงอุตสาหกรรมมาตรฐาน? โชคดีที่เห็น 290 W/m·K

การเข้าร่วมโซนถือเป็นจุดอ่อน

จำเป็นต้องมีชุดแผงระบายความร้อนสอง-ส่วน คุณมีสามทางเลือก: การเผาผนึกร่วม การประสาน หรือการเชื่อมแบบแพร่กระจาย

การเผาร่วม-ฟังดูหรูหรา - กองวัตถุสีเขียว เผาพวกมันเข้าด้วยกัน ทองแดงทำหน้าที่เป็นวัสดุเชื่อม ใช้งานได้ดีจนกว่าคุณจะถึง 2400- ชั่วโมงในการทดสอบระยะยาว- นั่นคือช่วงที่บริเวณทองแดงบริสุทธิ์ในบริเวณรอยต่อเริ่มเกิดรอยแตกขนาดเล็กภายใต้วงจรความร้อน

เราได้เรียนรู้สิ่งนี้อย่างยากลำบากจากโปรเจ็กต์เลเซอร์ไดโอดกำลังสูง- 1,000 ชั่วโมงแรก? สมบูรณ์แบบ. ที่เวลา 24.00 น. ด้วยแรงดัน 3 บาร์และโหลดความร้อนเต็ม เราพบการรั่วไหล ความล้มเหลวทุกครั้งย้อนกลับไปที่ชั้นทองแดงบริสุทธิ์-บางๆ ในข้อต่อเผาผนึกร่วม

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 องศา ซึ่งเพิ่มขั้นตอนการประมวลผลแต่ขจัดจุดอ่อนของทองแดงบริสุทธิ์

ประสิทธิภาพที่แท้จริง-ระดับโลก: สิ่งที่ได้ผลจริง

เทคโนโลยีวัสดุขั้นสูงในสิงคโปร์ตอบโจทย์เรื่องนี้ได้ พวกเขากำลังสร้างแผงระบายความร้อน MIM อะลูมิเนียมที่มีครีบเรียวสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังของยานยนต์ เคล็ดลับ? ควบคุมความเป็นทรงกลมของผงด้วยการบำบัดทรงกลม - เพิ่มขึ้น 7.6% ในขณะที่ความหยาบของพื้นผิวลดลง 30.7%

ผลลัพธ์ดังกว่าสเป็ค มีความหนาแน่นของการเผาผนึกถึง 98.1% เทียบกับ 95.7% ด้วยผงที่ไม่ผ่านการบำบัด ความหนาแน่นที่เพิ่มขึ้น 2.4% ส่งผลให้ประสิทธิภาพการระบายความร้อนดีขึ้นที่วัดได้ในแอปพลิเคชันสวิตช์กำลังสูง-

จากนั้นก็มีงาน -MIM ระดับไมโครของสถาบัน Fraunhofer เกี่ยวกับการขยาย-แผงระบายความร้อนที่เข้ากัน พวกเขาใช้ผงทองแดงทังสเตน 5-ไมครอน-เพื่อสร้างช่องสัญญาณขนาดเล็กที่มี 8.8 ppm/K CTE เป้าหมายต้านทานความร้อน? ต่ำกว่า 0.5K/วัตต์ พวกเขากำลังผลิตมากกว่า 10,000 หน่วยโดยราคาต่ออ่างล้างจานลดลงต่ำกว่า 20 ยูโร

คุณลักษณะพิเศษไม่ได้เป็นเพียงประสิทธิภาพ - เท่านั้น แต่ยังสามารถรีไซเคิลได้อีกด้วย วัสดุส่วนเกินจะถูกส่งกลับไปสู่การเตรียมวัตถุดิบทันที ลองทำแบบนั้นโดยใช้เศษตัดจากโลหะผสมทังสเตนหล่อ

ข้อผิดพลาดทั่วไปที่วิศวกรทำกับผลิตภัณฑ์ MIM

การออกแบบความคลาดเคลื่อนของเครื่องจักรMIM ให้พิกัดความเผื่อมิติ ±0.3% เมื่อ-เผาผนึก แน่นกว่านี้มั้ย? คุณกำลังตัดเฉือนอยู่ ซึ่งเอาชนะความได้เปรียบด้านต้นทุนได้ครึ่งหนึ่ง

ละเว้นการวางตำแหน่งประตูการออกแบบประตูที่ไม่ดีทำให้เกิดการแยกผงที่บริเวณที่มีแรงเฉือนสูง คุณได้รับเส้นสีดำจากการกระจายตัวของอนุภาคที่ไม่สม่ำเสมอ- จากนั้นคุณก็บดพื้นผิวที่ควรออกมาสะอาด

ประเมินเวลา debinding ต่ำไปการละลายด้วยความร้อนจะใช้เวลา 20-40 ชั่วโมง ขึ้นอยู่กับความหนาของชิ้นส่วน รีบเร่งซะ เจ้ากับดักสารยึดเกาะ นั่นทำให้เกิดช่องว่างระหว่างการเผาผนึก ช่องว่างฆ่าการนำความร้อน

การระบุโลหะผสมที่แปลกใหม่การเรียบเรียงแบบกำหนดเองฟังดูซับซ้อน นอกจากนี้ ยังจำเป็นต้องมีการพัฒนาวัตถุดิบ การทดลองการเผาผนึก และการตรวจสอบคุณสมบัติอีกด้วย เพิ่มเวลา 8-12 สัปดาห์ในไทม์ไลน์ของคุณและ 40% ให้กับต้นทุนต่อหน่วยของคุณ เลือกใช้โลหะผสม MIM ที่ได้รับการพิสูจน์แล้ว เว้นแต่ว่าคุณต้องการอะไรพิเศษจริงๆ

ลืมเรื่องการปรับขนาดต่ำกว่า 5,000 หน่วยต่อปี การตัดเฉือนมักจะชนะ มากกว่า 10,000 MIM กลายเป็นเรื่องที่น่าสนใจ จุดครอสโอเวอร์ขึ้นอยู่กับความซับซ้อนของชิ้นส่วน เรียกใช้ตัวเลขก่อนตัดสินใจใช้เครื่องมือ

การทำให้ผลิตภัณฑ์ MIM ทำงานในแอปพลิเคชันของคุณ

เริ่มต้นด้วยการเลือกแป้ง หากการนำความร้อนมีความสำคัญ - และในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง จะ - ระบุผงทองแดงที่ทำให้เป็นอะตอมด้วยก๊าซ-เสมอ<0.08% oxygen. Get the supplier to document it. One bad batch can cost you six months in field failures.

ทำงานย้อนกลับจากมิติซินเทอร์ นั่นหมายถึงการสร้างการชดเชยการหดตัวลงในโมเดล CAD ของคุณตั้งแต่วันแรก ผู้ผลิตแม่พิมพ์ส่วนใหญ่ใช้ปัจจัยมาตราส่วน 1.20-1.25x แต่ต้องตรวจสอบกับการทดลองวัตถุดิบก่อนตัดเหล็ก

แผนสำหรับการทดสอบ คุณต้องมีการตรวจสอบทั้งความร้อนและกลไก ความต้านทานความร้อนต่ำกว่า 0.5K/W? ยอดเยี่ยม. แต่หาก CTE ที่ไม่ตรงกันทำให้เกิดการหลุดลอกหลังจากรอบความร้อน 500 รอบ แสดงว่าคุณมีปัญหาที่ทับกระดาษราคาแพง

ร่วมมือกับซัพพลายเออร์ที่เข้าใจระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลัง ไม่ใช่แค่ MIM ผู้ผลิตเหล็กยึดฟันหรือชิ้นส่วนอาวุธปืนไม่มีความรู้ด้านวัสดุสำหรับการใช้งานด้านการจัดการความร้อน ถามเกี่ยวกับประสบการณ์ของพวกเขากับทองแดง-ทังสเตน การควบคุมบรรยากาศการเผาผนึก การตรวจสอบคุณภาพปริมาณออกซิเจน

และทดสอบโซนการต่อเชื่อม แข็ง. หากการออกแบบของคุณจำเป็นต้องมีการประกอบ ให้รันจนล้มเหลว ค้นหาจุดอ่อนบนไทม์ไลน์ของคุณ ไม่ใช่จุดอ่อนของลูกค้า

สิ่งที่สำคัญที่สุดของผลิตภัณฑ์ MIM ใน Power Electronics

การฉีดขึ้นรูปโลหะไม่ใช่เรื่องมหัศจรรย์ เป็นกระบวนการผลิตที่มีจุดแข็งเฉพาะและข้อจำกัดที่แท้จริง ในระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลัง ซึ่งการจัดการระบายความร้อนสามารถสร้างหรือทำลายระบบอินเวอร์เตอร์มูลค่า 100,000 ดอลลาร์ ข้อจำกัดเหล่านั้นก็มีความสำคัญ

แต่เมื่อคุณทำถูกแล้ว - มีการควบคุมความบริสุทธิ์ของวัสดุ ปรับเรขาคณิตให้เหมาะสม เข้าร่วมกลยุทธ์ที่ได้รับการตรวจสอบแล้ว -สินค้าเลียนแบบนำเสนอการผสมผสานระหว่างต้นทุน ความซับซ้อน และประสิทธิภาพที่คุณไม่สามารถเทียบเคียงได้ด้วยวิธีอื่น โดยเฉพาะปริมาณที่สูงกว่า 10,000 หน่วยต่อปี

ผู้ดำเนินการศูนย์ข้อมูลที่ฉันพูดถึง? พวกเขาออกแบบส่วนประกอบระบายความร้อนใหม่ด้วยชิ้นส่วน MIM ทองแดงที่ระบุอย่างเหมาะสม ปริมาณออกซิเจนถูกล็อคไว้ที่ 0.06% บรรยากาศการเผาผนึกปรับให้เหมาะสมเพื่อความหนาแน่นเต็มที่ พวกเขาดำเนินการมา 18 เดือนโดยไม่มีเหตุการณ์ใดๆ

ทางเลือกของคุณไม่ใช่ว่าจะใช้ MIM หรือไม่ อยู่ที่ว่าจะใช้อย่างถูกต้องหรือไม่

อ้างอิง:

การฉีดขึ้นรูปโลหะของแผ่นระบายความร้อน - การทำความเย็นแบบอิเล็กทรอนิกส์

สถานะของอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์กำลัง 2025 - Yole Group

การขยายตัว-แผ่นระบายความร้อนที่เข้ากันโดยการฉีดขึ้นรูปไมโครเมทัล - SPIE

เทคโนโลยีการฉีดขึ้นรูปโลหะ - Schunk Group

ความท้าทายและแนวทางแก้ไขในการฉีดขึ้นรูปโลหะ - Zetwerk

คำแนะนำรูปภาพ:

หลังจาก H2 "ต้นทุนที่ซ่อนอยู่":แผนภูมิเปรียบเทียบแสดงอัตราความล้มเหลวเทียบกับอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น (เส้นโค้งเอ็กซ์โพเนนเชียล)

หลังจากส่วน "ความบริสุทธิ์ของวัสดุ":ภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์เปรียบเทียบทองแดง MIM ความหนาแน่น 96% เทียบกับ 93%

หลังจากส่วน "การเข้าร่วมโซน":แผนภาพตัดขวาง-แสดงจุดเชื่อมต่อที่ล้มเหลวของโซน

หลังจาก "ผลงานจริง-ระดับโลก":ภาพถ่ายของแผ่นระบายความร้อน MIM แบบครีบอะลูมิเนียม{0}}เรียว

ก่อนสรุป:อินโฟกราฟิกของ MIM เทียบกับครอสโอเวอร์ต้นทุนการตัดเฉือนโดยปริมาตร