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洞悉亞馬遜開發(fā)的集成散熱功能的3D打印PCB

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近年來，由于電子元器件及其應(yīng)用產(chǎn)品的飛速發(fā)展，熱損耗與熱安全問題日益凸顯，電子產(chǎn)品散熱器作為散熱功能性部件，在電子產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域扮演越來越重要的角色。而3D打印在推動散熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜化方面將扮演重要的角色,3D打印用于散熱器或熱交換器的制造滿足了產(chǎn)品趨向緊湊型、高效性、模塊化、多材料的發(fā)展趨勢，特別是用于異形、結(jié)構(gòu)一體化、薄壁、薄型翅片、微通道、十分復(fù)雜的形狀、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)等加工，3D打印具有傳統(tǒng)制造技術(shù)不具備的優(yōu)勢。本期，與大家共同來領(lǐng)略亞馬遜通過3D打印開發(fā)集成散熱器的PCB方面的探索。

3D打印釋放電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)新潛力

更加高效的散熱

根據(jù)亞馬遜本2020年9月22日獲得通過的專利US10785864B2，亞馬遜開發(fā)了集成散熱器的印刷電路板（PCB），散熱器被配置成從表面安裝的組件，通過PCB朝著與具有表面安裝的組件的一側(cè)吸取熱量。亞馬遜還開發(fā)了連接器，可用于將諸如散熱器之類的部件耦合至PCB。用于形成PCB的層可以形成為在每一層上具有一個(gè)或多個(gè)孔，通常孔可以通過模切或以其他方式（例如，銑削等方式）來去除材料形成，或通過其他已知的技術(shù)來形成。而連接器（也稱為“接口”或“耦合器”）可以耦合到PCB孔，從而被配置為耦合到諸如散熱器的其他部件上。

PCB與散熱器的結(jié)合。來源：US10785864B2

借助3D打印技術(shù)，可以在增材制造過程中創(chuàng)建孔，例如通過省略將材料放置留出每一層中的孔的位置，層可包括導(dǎo)電層，例如部分地由銅或其他導(dǎo)電材料形成的金屬層。每一層中的孔可以具有與不同層具有相同的尺寸，或者可以具有與不同層不同的尺寸。電子器件發(fā)熱元件的冷卻對電子器件的性能起到關(guān)鍵作用，電子元件在安全溫度下有助于維持長期的使用壽命，避免產(chǎn)生早期產(chǎn)品故障。當(dāng)前，實(shí)現(xiàn)這種冷卻的首選方法是通過自然對流的空氣流動帶走電子器件的熱量。這種方法成本低，維護(hù)簡單，無噪音。

然而，自然對流的方法亦有其局限性，其限制因素是它的冷卻極限，當(dāng)對冷卻要求比較高的時(shí)候，局限性就顯現(xiàn)出來了。要突破這一局限性，就需要對散熱元件的結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)，熱對流通過散熱器或散熱片來實(shí)現(xiàn)，這些元件的特點(diǎn)是表面積大，且由高導(dǎo)熱材料如鋁或銅制成。當(dāng)電子元器件變熱，對流傳導(dǎo)快速帶走熱量。

自然對流的成功在很大程度上取決于散熱片的散熱能力，并將其移到周圍的空氣中。設(shè)計(jì)有效的散熱片是一個(gè)仔細(xì)平衡相互矛盾的因素過程，其中包括需要增加空氣流量和表面面積，同時(shí)減少壓力損失和制造成本。

如果散熱元器件可以通過優(yōu)化高導(dǎo)熱材料的幾何形狀，增加空氣流量和表面面積，同時(shí)降低生產(chǎn)成本，那么更多的電子產(chǎn)品就可以通過自然對流冷卻，而不是訴諸更昂貴和復(fù)雜的方法。

散熱器鰭片側(cè)可以包括一個(gè)或多個(gè)鰭片，該一個(gè)或多個(gè)鰭片被配置為在PCB的與具有表面安裝部件的一側(cè)相對的一側(cè)上散熱。通過3D打印技術(shù)，散熱器可以形成為結(jié)構(gòu)一體化的單個(gè)組件被制造出來，因?yàn)闆]有了焊接和組裝，從而減小熱阻并增加從表面安裝部件的熱傳遞效率。并且，結(jié)構(gòu)一體化的散熱器也可以比常規(guī)散熱器輕。

Review

亞馬遜的嘗試包括了兩個(gè)層面的3D打印技術(shù)，一個(gè)是3D打印PCB，另外一個(gè)層面是3D打印散熱器。

3D打印PCB

3D打印PCB方面，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，3D打印電路板在獲得不斷的發(fā)展進(jìn)步，將為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和其他新電子產(chǎn)品帶來更廣的創(chuàng)造性的空間。其中，Nano Dimension的DragonFly 2020 Pro 3D打印機(jī)正在改變電子產(chǎn)品開發(fā)的過程，使公司能夠控制整個(gè)開發(fā)周期。該系統(tǒng)可以3D打印功能電子結(jié)構(gòu)件，DragonFly 2020 Pro的客戶涉及廣泛的行業(yè)，包括研究，高等教育，航空航天和國防，汽車，智能系統(tǒng)，微處理器和電子產(chǎn)品。

根據(jù)Nano Dimension在中國的合作伙伴震旦集團(tuán)，不同于傳統(tǒng)的PCB板廠耗時(shí)長、復(fù)雜多次的制作模式，Nano Dimension 3D電路打印以快速、保密性佳、可打印多層繁雜精細(xì)度高的打印技術(shù)優(yōu)勢，可應(yīng)用于電路板原型設(shè)計(jì)和開發(fā)用途。Nano Dimension獨(dú)家的納米級銀質(zhì)導(dǎo)電材料AgCite以及PCB電路板3D設(shè)計(jì)軟件，能夠一次性生產(chǎn)混和導(dǎo)電(金屬)和絕緣(塑料聚合物)墨水材料的原型，精準(zhǔn)打印出完整且多層次的PCB特征，包含埋孔、鍍通孔的互連細(xì)節(jié)，且無須蝕刻、鉆孔、電鍍或破壞并在數(shù)小時(shí)內(nèi)即可完成。

DragonFly 2020 Pro 3D打印機(jī)目前已逐步被廣泛應(yīng)用于汽車產(chǎn)業(yè)和電子產(chǎn)品的電路板原型、概念樣品制作、設(shè)計(jì)驗(yàn)證和其他夾具測試上、封裝傳感器、導(dǎo)電幾何體、天線、模塑連接設(shè)備、穿戴式設(shè)備和其他創(chuàng)新設(shè)備。

可以折疊的手機(jī)，更輕巧的可穿戴設(shè)備，更集成的電子產(chǎn)品… …根據(jù)3D科學(xué)谷的市場研究，3D打印技術(shù)正在推動電子產(chǎn)品的全面發(fā)展，包括facebook, Intel等公司都在進(jìn)行這積極的研究工作，其中facebook獲得了“用于生成以模塊化方式組裝的電子器件的3D打印基板的方法”專利（US10099429B2)， Intel獲得了”芯片組件的模具側(cè)壁互連的方法“專利（US10199354B2）。

3D打印散熱器

而在3D打印散熱器方面，散熱性能限制了便攜式計(jì)算機(jī)、電力電子設(shè)備和大功率 LED 照明的小型化。來自實(shí)驗(yàn)室的高端技術(shù)解決方案通常不能滿足消費(fèi)產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)和部署。采用熱管理解決方案，比如工業(yè) 3D 打?。ㄋ^的增材制造）可以彌補(bǔ)差距，在可用空間嚴(yán)重受限的情況下也能保持有損電子設(shè)備的冷卻。由于設(shè)計(jì)自由，3D 打印熱管理組件提供與傳統(tǒng)制造組件相同或更高的效率，但需要的空間更少。這種制造技術(shù)可以應(yīng)用更大的表面、復(fù)雜的幾何形狀和保形冷卻通道。

在這方面，AM Metal、TheSys 和 EOS 聯(lián)手開發(fā)了一款新型游戲 CPU 散熱器，展示了熱管理的未來發(fā)展方向。而位于德國亞琛的iq-evolution公司，則是開發(fā)了與PCB集成在一起的散熱結(jié)構(gòu)(inboard cooler)，展示出借助3D打印可以獲得的令人驚嘆的創(chuàng)新潛力。