洞悉亚马逊开发的集成散热功能的3D打印PCB
2020-11-26
近年来，由于电子元器件及其应用产品的飞速发展，热损耗与热安全问题日益凸显，电子产品散热器作为散热功能性部件，在电子产品应用领域扮演越来越重要的角色。
而3D打印在推动散热器结构复杂化方面将扮演重要的角色，3D打印用于散热器或热交换器的制造满足了产品趋向紧凑型、高效性、模块化、多材料的发展趋势，特别是用于异形、结构一体化、薄壁、薄型翅片、微通道、十分复杂的形状、点阵结构等加工，总之，3D打印具有传统制造技术不具备的优势。
本文让我们共同来领略亚马逊通过3D打印开发集成散热器的PCB方面的探索。
3D打印释放电子产品设计新潜力
根据亚马逊于2020年9月22日获得通过的专利US10785864B2，亚马逊开发了集成散热器的印刷电路板（PCB），散热器被配置成从表面安装的组件，通过PCB朝着与具有表面安装的组件的一侧吸取热量。同时，亚马逊还开发了连接器，可用于将诸如散热器之类的部件耦合至PCB。
用于形成PCB的层可以形成为在每一层上具有一个或多个孔，通常孔可以通过模切或以其他方式（例如，铣削等方式）来去除材料形成，或通过其他已知的技术来形成。而连接器（也称为“接口”或“耦合器”）可以耦合到PCB孔，从而被配置为耦合到诸如散热器的其他部件上。
借助3D打印技术，可以在增材制造过程中创建孔，例如将材料留出每一层中的孔的位置，层可包括导电层，例如部分地由铜或其他导电材料形成的金属层。每一层中的孔可以具有与不同层相同的尺寸，或者可以具有与不同层不同的尺寸。
电子器件发热元件的冷却对电子器件的性能起到关键作用，电子元件在安全温度下有助于维持长期的使用寿命，避免产生早期产品故障。当前，实现这种冷却的首选方法是通过自然对流的空气流动带走电子器件的热量。这种方法成本低，维护简单，无噪音。
然而，自然对流的方法亦有其局限性，其限制因素是它的冷却极限，当对冷却要求比较高的时候，局限性就显现出来了。要突破这一局限性，就需要对散热元件的结构加以改进，热对流通过散热器或散热片来实现，这些元件的特点是表面积大，且由高导热材料如铝或铜制成。当电子元器件变热，对流传导将快速带走热量。
自然对流的成功在很大程度上取决于散热片的散热能力，并将其移到周围的空气中。设计有效的散热片是一个仔细平衡相互矛盾的过程，其中包括需要增加空气流量和表面面积，同时减少压力损失和制造成本。
如果散热元器件可以通过优化高导热材料的几何形状，增加空气流量和表面面积，同时降低生产成本，那么更多的电子产品就可以通过自然对流冷却，而不是诉诸更昂贵和复杂的方法。
散热器鳍片侧可以包括一个或多个鳍片，该一个或多个鳍片被配置为在PCB的与具有表面安装部件的一侧相对的一侧上散热。通过3D打印技术，散热器可以形成为结构一体化的单个组件被制造出来，因为没有了焊接和组装，从而减小热阻并增加从表面安装部件的热传递效率。并且，结构一体化的散热器也可以比常规散热器轻。
3D科学谷Review
亚马逊的尝试包括了两个层面的3D打印技术，一个是3D打印PCB，另外一个层面是3D打印散热器。
3D打印PCB
3D打印PCB方面，根据3D科学谷的市场观察，3D打印电路板在获得不断的发展进步，将为物联网设备和其他新电子产品带来更广的创造性空间。其中，Nano Dimension的DragonFly 2020 Pro 3D打印机正在改变电子产品开发的过程，使公司能够控制整个开发周期。该系统可以3D打印功能电子结构件，DragonFly 2020 Pro的客户涉及广泛的行业，包括研究、高等教育、航空航天和国防、汽车、智能系统、微处理器和电子产品。
根据Nano Dimension在中国的合作伙伴震旦集团的研究，不同于传统的PCB板厂耗时长、复杂多次的制作模式，Nano Dimension 3D电路打印以快速、保密性佳、可打印多层、繁杂、精细度高产品的打印技术优势，可应用于电路板原型设计和开发用途。
Nano Dimension独家的纳米级银质导电材料AgCite以及PCB电路板3D设计软件，能够一次性生产混和导电（金属）和绝缘（塑料聚合物）墨水材料的原型，精准打印出完整且多层次的PCB结构，包含埋孔、镀通孔的互连细节，且无须蚀刻、钻孔、电镀或破坏并在数小时内即可完成。
DragonFly 2020 Pro 3D打印机目前已逐步被广泛应用于汽车产业和电子产品的电路板原型、概念样品制作、设计验证和其他夹具测试、封装传感器、导电几何体、天线、模塑连接设备、穿戴式设备和其他创新设备上。
可以折叠的手机，更轻巧的可穿戴设备，更集成的电子产品……根据3D科学谷的市场研究，3D打印技术正在推动电子产品的全面发展，包括facebook，Intel等公司都在积极的进行这项研究工作，其中facebook获得了“用于生成以模块化方式组装的电子器件的3D打印基板的方法”专利（US10099429B2），Intel获得了“芯片组件的模具侧壁互连的方法”专利（US10199354B2）。
3D打印散热器
在3D打印散热器方面，散热性能限制了便携式计算机、电力电子设备和大功率LED照明的小型化。来自实验室的高端技术解决方案通常不能满足消费产品的大规模生产和部署。采用热管理解决方案，比如工业3D打印（所谓的增材制造）可以弥补差距，在可用空间严重受限的情况下也能保持有损电子设备的冷却。由于设计自由，3D打印热管理组件提供与传统制造组件相同或更高的效率，但需要的空间更少。这种制造技术可以应用于更大的表面、复杂的几何形状和保形冷却通道。
