Stampaggio a iniezione di metallo di rame (MIM) per l’hardware IA e il raffreddamento dell’elettronica di potenza

Il MIM del rame può produrre canali di raffreddamento interni?

Il MIM del rame può produrre molte strutture di raffreddamento avanzate, ma non tutti i canali interni possono essere stampati direttamente. La fattibilità di un progetto dipende principalmente dalla forma del canale, dalla direzione di estrazione dallo stampo e dal metodo di sigillatura richiesto.

Le strutture aperte sono generalmente più facili da produrre. Possono includere schiere esposte di alette a perno, scanalature di raffreddamento, nervature ramificate, guide del flusso d'aria e strutture aperte di distribuzione del refrigerante. Anime, inserti o carrelli standard dello stampo possono spesso formare questi dettagli, a condizione che il componente stampato allo stato verde possa essere estratto dallo stampo senza subire danni.

I canali di raffreddamento completamente chiusi sono più difficili da realizzare. Come lo stampaggio a iniezione della plastica, lo stampaggio a iniezione di metalli di rame si basa su uno stampo fisico. Dopo lo stampaggio, il componente allo stato verde è ancora fragile e deve essere rimosso dallo stampo. Pertanto, un canale curvo racchiuso all'interno di un componente monoblocco potrebbe non avere una direzione pratica di estrazione dallo stampo.

In questi casi, il componente di raffreddamento può dover essere suddiviso in una base e un coperchio stampati. Le sezioni possono quindi essere unite mediante brasatura, saldatura, giunzione per sinterizzazione o un altro processo di sigillatura. Per alcuni progetti possono essere possibili anche anime rimovibili o sacrificali, sebbene di norma richiedano un processo sviluppato appositamente.

Un progetto Copper MIM documentato ha dimostrato uno scambiatore di calore in rame cavo con perni interni che collegano due piastre. Era progettato per il raffreddamento con una miscela glicole-acqua a pressioni fino a 8 bar. Tuttavia, il componente non utilizzava un semplice processo di stampaggio in un'unica fase. Per formare e sigillare la struttura interna era necessario un ciclo produttivo specializzato.

Il punto importante è che il Copper MIM può supportare progetti complessi di raffreddamento a liquido, ma la geometria dei canali deve essere esaminata prima dell'inizio della progettazione dello stampo. La pressione di esercizio, i requisiti di tenuta, il volume di produzione e i processi di giunzione secondari devono essere inclusi nella valutazione DFM iniziale.

Perché la polvere di rame e il controllo della sinterizzazione sono importanti

Le prestazioni di un componente di raffreddamento in Copper MIM dipendono da più fattori della sua forma esterna. La qualità della polvere, il controllo dell'ossidazione, la rimozione del legante e la sinterizzazione influenzano tutti la densità e la conduttività finali.

Il rame è sensibile all'ossidazione, soprattutto sotto forma di polvere fine. Uno strato di ossido sulla superficie della polvere può ostacolare il legame tra le particelle durante la sinterizzazione. Se l'ossigeno non viene controllato adeguatamente, il componente finito può contenere più pori e offrire una conduttività termica o elettrica inferiore.

La purezza, la granulometria e la forma delle particelle della polvere influenzano anche il modo in cui il feedstock scorre nello stampo. Una distribuzione granulometrica adeguata aiuta la polvere a compattarsi più strettamente, favorendo una migliore densificazione durante la sinterizzazione.

Durante la preparazione del feedstock, la polvere di rame deve rimanere distribuita uniformemente nel legante. La separazione tra polvere e legante può creare differenze di densità all'interno del componente stampato. Queste differenze possono in seguito causare un ritiro non uniforme, deformazioni o prestazioni termiche incostanti.

La rimozione del legante deve essere controllata con attenzione. Rimuoverlo troppo rapidamente può causare crepe, rigonfiamenti, formazione di bolle, pressione interna o residui carboniosi. Per questo, il Copper MIM utilizza spesso diverse fasi di rimozione del legante. La prima fase crea piccoli pori interconnessi, consentendo al legante rimanente di fuoriuscire in modo più sicuro durante la rimozione termica del legante.

Il componente viene quindi sinterizzato in un vuoto controllato o in un'atmosfera riducente. Ciò limita l'ulteriore ossidazione e consente alle particelle di rame di legarsi tra loro. La pulizia del forno è particolarmente importante per i componenti in rame utilizzati nella gestione termica e nelle applicazioni elettriche, perché la contaminazione può influire sulle loro prestazioni finali.

Come la densità influisce sulla conduttività del rame MIM

Il calore e la corrente elettrica si muovono in modo più efficiente attraverso una struttura metallica continua. In un componente in rame MIM sinterizzato, i pori residui interrompono questo percorso.

Per questo motivo, due componenti descritti come rame puro potrebbero non offrire la stessa conduttività termica. Le loro prestazioni effettive possono differire a causa della densità dopo la sinterizzazione, del contenuto di ossigeno, del carbonio residuo, della purezza della polvere e della distribuzione dei pori.

Una densità maggiore crea normalmente un percorso più continuo per il calore e la corrente elettrica. Tuttavia, la densità da sola non garantisce prestazioni complete. Un componente può avere una densità relativamente elevata, ma contenere comunque ossigeno, contaminanti o pori distribuiti in modo non uniforme.

Per progetti di raffreddamento o elettrici impegnativi, gli acquirenti dovrebbero richiedere dati effettivi sul materiale, anziché basarsi esclusivamente sulle proprietà del rame lavorato. Il rapporto di validazione può includere:

• Densità dopo la sinterizzazione

• Conduttività termica

• Conduttività elettrica

• Contenuto di ossigeno e carbonio

• Composizione chimica

La conduttività pubblicata per una barra o una lamiera di rame lavorata non dovrebbe essere utilizzata automaticamente come prestazione prevista di un componente in rame MIM.

MIM in rame puro o MIM in lega di rame?

Il rame puro è normalmente la prima scelta quando la conduttività termica o elettrica è il requisito principale. Può essere utilizzato per diffusori di calore, dissipatori di calore compatti, terminali per correnti elevate e altri componenti conduttivi.

Il principale limite è che il rame puro è relativamente morbido. Richiede inoltre un controllo rigoroso dell'ossidazione e della contaminazione durante la produzione.

Le leghe di rame offrono un equilibrio diverso. A seconda della lega, possono garantire maggiore resistenza, migliore resistenza all'usura, maggiore resistenza alla corrosione o prestazioni più stabili a temperature elevate. Il compromesso è solitamente una conduttività inferiore.

I materiali in rame-tungsteno possono essere presi in considerazione quando sono importanti sia il trasferimento di calore sia la bassa dilatazione termica. Le applicazioni tipiche includono package per semiconduttori, submount per diodi laser e componenti installati vicino a materiali ceramici o semiconduttori.

Il materiale deve quindi essere selezionato in base ai requisiti operativi complessivi, non semplicemente alla conduttività massima possibile.

Applicazioni del MIM del rame nella gestione termica

Il MIM del rame è più utile per componenti di piccole e medie dimensioni che contengono caratteristiche complesse e ripetute. È meno interessante per piastre di rame grandi e semplici.

Raffreddamento dei server AI

I server AI contengono processori, ricetrasmettitori ottici, moduli di potenza e sistemi di distribuzione dell'alimentazione che generano calore concentrato. Il MIM del rame può essere preso in considerazione per inserti compatti a pin, distributori di refrigerante, strutture per la guida del flusso d'aria e componenti di raffreddamento con caratteristiche di montaggio integrate.

Una grande piastra fredda piana a liquido è generalmente ancora più adatta alla lavorazione CNC, alla brasatura o alla saldatura per attrito e rimescolamento. Al contrario, un piccolo nucleo di raffreddamento contenente numerosi pin, nervature o interfacce tridimensionali può essere un candidato più adatto al MIM del rame.

Raffreddamento dei moduli ottici

I moduli ottici ad alta velocità contengono laser, driver e altri componenti che generano calore in uno spazio molto limitato. Un dissipatore di calore per moduli ottici può dover trasferire il calore sostenendo al contempo i componenti interni e guidando il flusso d'aria.

Il MIM del rame può realizzare un condotto dell'aria, caratteristiche di montaggio e strutture per la dissipazione del calore come un unico componente principale. La lavorazione CNC localizzata può quindi essere utilizzata per superfici di riferimento critiche, aree di tenuta o interfacce che richiedono un controllo più rigoroso.

Questo approccio ibrido è spesso più pratico che cercare di sostituire ogni processo produttivo con il MIM.

Elettronica di potenza e sistemi di azionamento elettrico

L'elettronica di potenza utilizzata in inverter, convertitori, azionamenti per motori, sistemi di ricarica e unità di alimentazione per server AI richiede sia un raffreddamento efficiente sia connessioni elettriche affidabili.

Tra i potenziali componenti in rame MIM figurano dissipatori di calore a pin, inserti di raffreddamento per moduli di potenza, terminali per correnti elevate e componenti compatti che combinano funzioni di raffreddamento ed elettriche.

Il MIM del rame può supportare anche componenti sbarre tridimensionali, connettori per batterie e parti di collegamento per motori. Tuttavia, una sbarra piatta semplice è normalmente più economica da stampare. Il MIM diventa più interessante quando il componente presenta una forma insolita, caratteristiche di connessione integrate o una geometria complessa ripetuta.

Caso di studio: componente di raffreddamento in rame MIM per un modulo ottico

Un modulo ottico ad alta potenza richiedeva un componente compatto in rame per la dissipazione del calore. Il design originale era prodotto da lamiera di rame mediante diversi processi, tra cui la lavorazione CNC e il taglio a filo.

Il componente doveva garantire il trasferimento direzionale del calore, guidare il flusso d'aria e sostenere altri componenti all'interno del modulo ottico. La produzione separata di queste caratteristiche aumentava il numero di operazioni e rendeva più complesso l'assemblaggio.

Il design è stato successivamente adattato al MIM del rame. Il condotto dell'aria principale e le strutture di supporto sono stati integrati in un unico componente near-net-shape. La lavorazione CNC è stata comunque mantenuta per un numero limitato di aree critiche che richiedevano un controllo dimensionale più rigoroso.

Questo progetto illustra dove il Copper MIM può offrire un valore pratico. Il processo non ha sostituito completamente la lavorazione CNC. Ha invece ridotto la quantità di lavorazione meccanica e formato la geometria più complessa in un unico componente principale.

Per progetti simili, la chiave è identificare quali elementi debbano essere stampati e quali debbano rimanere lavorati meccanicamente. Ciò dipende generalmente da tolleranza, finitura superficiale, quantità annuale e costo dell'attrezzaggio.

Copper MIM a confronto con lavorazione CNC e brasatura

Copper MIM, lavorazione CNC e brasatura sono adatti a diversi tipi di componenti di raffreddamento.

Il Copper MIM merita generalmente di essere valutato quando il componente è relativamente piccolo, la geometria è complessa e la domanda annuale è sufficientemente elevata da giustificare l'attrezzaggio. È particolarmente utile quando la lavorazione CNC rimuoverebbe una grande quantità di rame o quando è possibile combinare diversi componenti separati.

La lavorazione CNC rimane la scelta migliore per i prototipi, i design soggetti a modifiche e le basse quantità produttive. È adatta anche quando molte superfici richiedono tolleranze molto strette.

La brasatura è pratica per grandi cold plate a liquido che utilizzano una base lavorata o formata con un coperchio separato. Questi design possono creare canali ampi e prevalentemente planari senza richiedere attrezzature di stampaggio altamente complesse.

In molti progetti, un processo produttivo ibrido offre il risultato migliore. Il Copper MIM può formare il corpo principale complesso, mentre la lavorazione CNC viene utilizzata per superfici di tenuta, superfici di riferimento, fori filettati e interfacce per connettori. Un inserto di raffreddamento in rame realizzato con Copper MIM può anche essere brasato o saldato all'interno di un alloggiamento più grande.

Linee guida di progettazione per componenti di raffreddamento in rame realizzati con MIM

Lo spessore delle pareti dovrebbe rimanere il più uniforme possibile, compatibilmente con il design. Grandi variazioni tra sezioni spesse e sottili possono causare un flusso non uniforme del materiale e diversi tassi di ritiro durante la sinterizzazione.

La sformatura dovrebbe essere considerata fin dalle prime fasi. Fori profondi, sottosquadri e canali chiusi possono richiedere carrelli, inserti o una diversa direzione di apertura dello stampo. Un elemento che appare semplice nel prodotto finito può essere difficile da rimuovere dallo stampo quando il componente è ancora nel suo fragile stato verde.

È inoltre opportuno evitare alette lunghe e non supportate. Gli elementi sottili possono piegarsi o rompersi durante lo stampaggio, la rimozione del legante, la movimentazione o la sinterizzazione. Alette più corte, nervature di supporto o un design modificato dei perni possono garantire una maggiore stabilità produttiva.

Per i componenti di raffreddamento a liquido, aumentare il numero di perni può migliorare l'area di trasferimento del calore, ma può anche limitare il flusso del refrigerante. Dimensioni e spaziatura dei perni, tipo di refrigerante, portata richiesta e caduta di pressione ammissibile devono essere valutati insieme.

La simulazione termica e l’analisi CFD possono aiutare a confrontare diversi design prima dell’inizio della realizzazione degli stampi. Tuttavia, i risultati della simulazione dovrebbero comunque essere confermati mediante test fisici.

Le caratteristiche di tenuta dovrebbero essere definite già durante la prima fase DFM. Le gole per O-ring, le superfici piane di tenuta, le porte filettate, le aree di brasatura e le piastre di copertura possono richiedere ulteriori lavorazioni o processi di giunzione.

Test dei componenti di raffreddamento Copper MIM

La sola verifica della densità non è sufficiente per validare un componente di raffreddamento.

Un piano di validazione tipico può includere la composizione del materiale, la conducibilità termica, la conducibilità elettrica e il controllo dimensionale. I componenti per il raffreddamento a liquido possono inoltre richiedere test di mantenimento della pressione, di tenuta, della portata e della perdita di carico.

I test di resistenza termica e i cicli termici possono contribuire a confermare che il componente funzioni in modo affidabile nelle condizioni operative effettive. Per le strutture di raffreddamento chiuse, è possibile utilizzare l’ispezione a raggi X o mediante tomografia computerizzata per identificare canali ostruiti o difetti interni significativi.

Tuttavia, l’ispezione mediante tomografia computerizzata non può sostituire i test funzionali. Il componente finale deve comunque soddisfare i requisiti reali di pressione, tenuta, flusso e prestazioni termiche.

Il Copper MIM è adatto al vostro componente di raffreddamento?

Il Copper MIM non sostituisce ogni processo di produzione del rame. Offre il massimo valore quando un componente combina una buona conducibilità con una geometria tridimensionale complessa, numerosi piccoli elementi ripetuti e una domanda di volumi medi o elevati.

Prima di selezionare il processo, il fornitore dovrebbe esaminare il modello CAD 3D, le dimensioni del componente, la quantità annuale e i requisiti di conducibilità. Per un componente di raffreddamento a liquido, la verifica dovrebbe includere anche il tipo di refrigerante, la pressione di esercizio, la pressione di scoppio, la portata, la perdita di carico e il metodo di tenuta.

Le tolleranze critiche e i processi secondari necessari devono essere identificati prima dell’inizio della realizzazione degli stampi. Ciò aiuta a determinare se il progetto debba utilizzare il Copper MIM, la lavorazione CNC, la brasatura o un processo ibrido.

Domande frequenti

Il Copper MIM può raggiungere la stessa conducibilità del rame lavorato?

Il Copper MIM può raggiungere un'elevata conducibilità, ma il risultato dipende dalla purezza della polvere, dal contenuto di ossigeno, dalla densità dopo la sinterizzazione e dalla porosità residua. È necessario confermare i dati di prova specifici del progetto.

Un dissipatore di calore in Copper MIM richiede lavorazioni secondarie?

Non sempre. Tuttavia, le superfici di tenuta, le superfici di montaggio, i fori filettati e le interfacce con tolleranze ristrette possono comunque richiedere una lavorazione CNC localizzata.

I componenti in Copper MIM possono essere brasati o saldati?

Sì. Il metodo di giunzione corretto dipende dal materiale, dalla progettazione del giunto, dalle condizioni superficiali, dalla pressione di esercizio e dai requisiti di tenuta.

Quale quantità di produzione è adatta per il Copper MIM?

Non esiste una quantità fissa valida per ogni progetto. La decisione dipende dal costo degli stampi, dalla complessità del componente, dal peso del componente e dal costo dei processi alternativi. Il Copper MIM diventa normalmente più interessante quando il progetto è stabile e sono necessarie produzioni ripetute.

Il Copper MIM è adatto per grandi piastre fredde a liquido?

In genere è più adatto a componenti di piccole e medie dimensioni con geometrie complesse. Le grandi piastre fredde con canali planari relativamente semplici sono spesso più adatte alla produzione mediante lavorazione CNC, brasatura o saldatura per attrito e rimescolamento.