冷板制造中最大的兩個(gè)成本驅(qū)動(dòng)因素是導(dǎo)熱性能要求和年度需求，通常熱工程師和制造工程師很少或根本無法控制。但是，您可以通過了解粗糙度、平整度、硬度、表面形貌、安裝特征和液體連接規(guī)格如何影響冷板的成本來降低成本。通過在設(shè)計(jì)過程的早期讓冷板制造商參與進(jìn)來，您將能夠確定制造成本驅(qū)動(dòng)因素并選擇最具成本效益的設(shè)計(jì)。
大多數(shù)冷板由鋁制成，但一些新技術(shù)使用銅。雖然銅具有更好的導(dǎo)熱性，但鋁的使用頻率更高，因?yàn)樗ǔ８阋恕⒏p且更易于使用。銅的加工非常困難且昂貴。目前兩種最流行的鋁冷板技術(shù)是管狀和真空釬焊（見圖1）。管狀冷板通常是壓入槽槽鋁型材的銅管或不銹鋼管。它們具有優(yōu)異的成本優(yōu)勢(shì)，并為中低功率密度器件提供良好的散熱解決方案。真空釬焊冷板由兩塊冶金結(jié)合在一起的板和內(nèi)翅片組成。它們有各種尺寸可供選擇，并提供極高的性能，使其成為熱負(fù)荷集中應(yīng)用的理想選擇。管式和真空釬焊冷板技術(shù)的工作時(shí)間都受到限制。
在上述因素之后，鋁冷板的最大成本驅(qū)動(dòng)因素是加工時(shí)間和額外的加工步驟。冷板制造商通常有與加工時(shí)間相關(guān)的成本，其中包括機(jī)器、電源、耗材和維護(hù)的折舊成本。因此，冷板在制造設(shè)備中放置的時(shí)間越長，成本就越高。每個(gè)額外的處理步驟都會(huì)繼續(xù)推高成本。
（1）擠壓件和壓鑄件
為了最大限度地減少加工時(shí)間并降低成本，最好盡可能多地使用擠壓和鑄造。擠壓是通過將金屬推過模具以創(chuàng)建具有固定橫截面的物體而產(chǎn)生的。用于新擠出的模具相對(duì)便宜，擠出尺寸限制在約 9 英寸（22.86 厘米）寬。擠出壁厚需要相對(duì)一致，任何通道或特征都需要筆直。制造商還可以結(jié)合使用擠壓和機(jī)加工來降低成本。可以對(duì)某些特征進(jìn)行擠壓，然后可以加工更復(fù)雜的特征。這將有助于降低擠出成本，前提是您在設(shè)計(jì)板材時(shí)考慮到擠壓特征。另一種選擇是將鑄造和機(jī)加工結(jié)合起來制造冷板。例如，如果鑄件不夠平整，則需要進(jìn)行二次操作以使冷板達(dá)到所需的平整度規(guī)格。通常，擠出或鑄造的最低采購量很高，因此您需要正確的應(yīng)用來證明使用這些工藝的合理性。擠壓和鑄件都可以從整體上節(jié)省大量成本。
（2）表面粗糙度
表面粗糙度（光潔度）可能會(huì)增加大量成本，但對(duì)性能影響很小。與一些人的看法相反，粗糙度對(duì)冷板的熱性能影響相對(duì)較小。在大多數(shù)應(yīng)用中，冷板和組件之間的表面接觸小于 10% 或氣隙超過 90%。更光滑的表面只會(huì)略微降低氣隙的百分比。典型的機(jī)加工冷板的表面光潔度為 32-64 μin （81-163 μcm），這對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來說已經(jīng)足夠了。使用標(biāo)準(zhǔn)加工中心可以將粗糙度降低到 16 μin （41 μcm），但這需要更堅(jiān)固的夾具，以減少任何潛在的顫振以及加工頭的速度和進(jìn)給速度較慢。（速度是切削刀頭旋轉(zhuǎn)的速率，進(jìn)給是機(jī)頭在冷板上移動(dòng)的速率。降低速度和進(jìn)給量意味著加工中心時(shí)間更長，從而增加成本。
大多數(shù)應(yīng)用在組件或電路板與冷板之間使用熱界面材料 （TIM），以幫助最大限度地減少間隙。TIM 應(yīng)盡可能薄，因?yàn)?TIM 相對(duì)較高的熱阻大大掩蓋了具有更光滑表面的任何電導(dǎo)率改進(jìn)。增加元件或板對(duì)冷板的夾緊力也有助于抵消更高的粗糙度，但可能會(huì)增加板或元件上的應(yīng)力。當(dāng)冷板和組件或電路板升溫時(shí)，夾緊應(yīng)力還會(huì)增加熱膨脹系數(shù) （CTE） 失配的影響。
（3）表面平整度
與表面粗糙度相比，表面平整度對(duì)冷板熱性能的影響更大，因?yàn)槿绻浒宀黄秸佑|面積會(huì)大大減小（見圖2）。標(biāo)準(zhǔn)平整度規(guī)格為 0.001 英寸/英寸（0.003 厘米/厘米）。因此，在距離測(cè)量點(diǎn)一英寸的范圍內(nèi)，冷板的最低點(diǎn)不會(huì)比最高點(diǎn)低 0.001 英寸（0.003 厘米）。如果要求平整度優(yōu)于 0.001 英寸/英寸（0.003 厘米/厘米），則一種省錢的方法是指定局部平整度，而不是整個(gè)板的緊密平整度。例如，如果要在冷板上安裝多個(gè)絕緣柵雙極晶體管 （IGBT），并且每個(gè) IGBT 在整個(gè)基板上需要 0.001 英寸/英寸（0.003 厘米/厘米），請(qǐng)指定單個(gè) IGBT 的局部平整度，而不是要求整個(gè)板非常平坦。
（4）表面形貌
最小化表面形貌對(duì)于降低成本也很重要，特別是對(duì)于電路板應(yīng)用。復(fù)雜的表面形貌通常需要從厚厚的鋁塊開始，然后加工掉不需要的鋁。這導(dǎo)致原材料成本高，加工時(shí)間過長。如果無法消除形貌，則將高度相似的組件捆綁在電路板上可以降低加工要求。
（5）硬度
鑄造、擠壓或真空釬焊冷板在加工后非常柔軟，通常只有 T0 硬度。冷板必須硬化，因?yàn)檐涗X很難加工和處理。要從 T0 硬度到 T4，必須對(duì)冷板進(jìn)行熱處理。熱處理過程包括將冷板加熱到 1000°F （538°C），讓它在該溫度下停留約 1 小時(shí)/英寸的冷板厚度，然后通過非常快速地冷卻它來對(duì)其進(jìn)行熱沖擊（見圖 3）。冷卻冷板的一種方法是將其直接從爐子中掉出并放入水浴中。要將冷板從 T4 帶到 T6，必須對(duì)冷板進(jìn)行人工老化。這是通過讓冷板在 300°F-400°F （149°C-204°C） 下放置 8-16 小時(shí)來實(shí)現(xiàn)的。T6 提供了具有高抗拉強(qiáng)度的非常堅(jiān)硬的冷板，這是軍事和航空航天應(yīng)用的典型要求。然而，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來說，T4 已經(jīng)足夠困難了，指定 T6 只會(huì)增加不必要的成本。
（6）安裝特點(diǎn)/孔
冷板制造中的另一個(gè)成本增加因素是孔的增加。一個(gè)孔可能會(huì)使冷板的成本增加多達(dá) 3 美元。孔增加成本的主要原因之一是不能在流體路徑中打孔。因此，對(duì)于管狀冷板，需要在管子上彎曲以容納孔，并且每個(gè)彎曲都會(huì)增加成本。對(duì)于真空釬焊冷板，必須在流體路徑中創(chuàng)建一個(gè)島，這也意味著對(duì)內(nèi)部翅片進(jìn)行電火花加工 （EDM）。這會(huì)增加相當(dāng)多的加工時(shí)間，從而增加成本。
對(duì)孔的位置和間距的嚴(yán)格公差也會(huì)推高成本。合理的公差規(guī)格為 ±0.005 英寸（±0.013 厘米）。與平整度一樣，盡可能指定局部公差將降低成本。對(duì)于孔彼此相距相對(duì)較遠(yuǎn)的大冷板，公差變得更難保持。原因之一是機(jī)床公差隨著機(jī)頭移動(dòng)距離的延長而增加。另一個(gè)原因是機(jī)加工車間中可能存在高達(dá) 18°F （10°C） 的熱梯度，這可能會(huì)使冷板膨脹或收縮多達(dá) 0.005 英寸（±0.013 厘米）。通孔是最容易指定更嚴(yán)格公差的，因?yàn)橥椎膭?chuàng)建是通過單個(gè)刀具操作完成的，而螺紋孔則不那么容易公差，因?yàn)橹谱魉鼈兩婕皟蓚€(gè)工具。螺旋油是最難公差的，因?yàn)樵撨^程需要一個(gè)攻絲孔，而螺旋油本身具有公差。所有的公差加起來，使制造起來更難、更昂貴。避免小的攻絲孔也有助于降低成本。4-40 或更小的孔尺寸變得難以攻絲，因?yàn)榻z錐在鉆孔時(shí)可能會(huì)斷裂。為了盡量減少這個(gè)問題，機(jī)器的運(yùn)行速度必須慢得多。應(yīng)對(duì)冷板嚴(yán)格公差要求的一種方法是增加組件或電路板上安裝孔的尺寸。
（7）液體連接
對(duì)于液體連接，直螺紋 O 形圈母端口通常效果最好。除了焊接系統(tǒng)外，它還以最低的成本提供最佳密封。管道連接（如 NPT 接頭）無法提供冷板等組件所需的精度。在真空釬焊冷板上，應(yīng)避免使用外螺紋配件，例如倒鉤或串珠配件，因?yàn)樗枰渌僮鳎ɡ绾附樱﹣磉B接配件。此外，超出冷板的配件在運(yùn)輸過程中需要保護(hù)，這可能會(huì)增加包裝成本。只有在必要時(shí)才應(yīng)使用快速斷開連接，因?yàn)樗鼈兠繉?duì)的成本可能高達(dá) 750 美元。需要經(jīng)常更換的冷板或電子設(shè)備需要快速斷開。對(duì)于已經(jīng)裝有冷卻液的冷板，也需要它們。對(duì)于液體連接，另一個(gè)考慮因素是端口公差。通常，傳入的管道具有一定的靈活性。合理的公差介于 ±0.030 英寸（0.076 厘米）和 ±0.060 英寸（0.152 厘米）之間。
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