散熱原理——銅鋁結(jié)合技術(shù)

目前最常用的散熱片材料是銅和鋁合金。而鋁合金容易加工，成本低，所以也是應(yīng)用最多的材料。相比之下，銅的瞬間吸熱能力比鋁合金好，但散熱的速度就較鋁合金要慢。考慮了銅和鋁這兩種材質(zhì)各自的缺點，目前市場部分高端散熱器采用了銅鋁結(jié)合制造，這些散熱片通常都采用銅金屬底座，而散熱鰭片則還是采用鋁合金，除了銅底，也有散熱片使用銅柱等方法，也是相同的原理。憑借較高的導(dǎo)熱系數(shù)，銅制底面可以快速吸收CPU釋放的熱量；鋁制鰭片可以借助復(fù)雜的工藝手段制成最有利于散熱的形狀，并提供較大的儲熱空間并快速釋放，這在各方面找到了的一個均衡點。

熱量從CPU核心散發(fā)到散熱片表面，是一個熱傳導(dǎo)過程。對于散熱片的底座而言，由于直接與高熱量的小面積熱源接觸，這就要求底座能夠迅速將熱量傳導(dǎo)開來。散熱片選用較高導(dǎo)熱系數(shù)的材料對提高熱傳導(dǎo)效率很有幫助。如鋁的導(dǎo)熱系為735KJ/(M.H.K)，銅的導(dǎo)熱系數(shù)為1386KJ/(M.H.K)，相比較起來同樣體積的散熱片，銅的重量是鋁的3倍；而鋁的比熱僅為銅的2.3倍。所以相同體積下，銅散熱片可以比鋁散熱片容納更多的熱量，升溫更慢。同樣一塊厚度的底部，銅不但可以快速引走CPU Die的溫度，自己的溫度上升也比鋁的散熱片緩慢。因此銅更適合做成散熱器的底面。

當(dāng)然，兩種金屬的結(jié)合比較困難，銅和鋁之間的親和力較差，如果接合處理不好，便會產(chǎn)生較大的介面熱阻（即兩種金屬之間由于不充分接觸而產(chǎn)生的熱阻）。在實際設(shè)計和制造中，廠商總是盡可能降低介面熱阻，揚長避短。常見的銅鋁結(jié)合工藝有：

1. 扦焊

扦焊是采用熔點比母材熔點低的金屬材料作為焊料，在低于母材熔點而高于焊料熔點的溫度下，利用液態(tài)焊料潤濕母材，填充接頭間隙，然后冷凝形成牢固接合界面的焊接方法。主要工序有：材料前處理、組裝、加熱焊接、冷卻、后處理等工序。常用的扦焊方式是錫扦焊,鋁表面在空氣中會形成一層非常穩(wěn)定的氧化層(AL2O3),使銅鋁焊接難度較高,這是阻礙焊接的最大因素。必須要將其去除或采用化學(xué)方法將其去除后并電鍍一層鎳或其它容易焊接的金屬，這樣銅鋁才能順利焊接在一起。

散熱片上的銅底是進行熱的傳導(dǎo)，要求的不僅是機械強度，更重要的是焊接的面積要大(焊著率要高)，才能有效地提升散熱效能，否則不斷不會提升散熱效能，反而會使其比全鋁合金的散熱片更加糟糕。

　

2. 貼片、螺絲鎖合:

貼片工藝是將薄銅片通過螺絲與鋁制底面結(jié)合。這樣做的主要目的是增加散熱器的瞬間吸熱能力，延長一部分本身設(shè)計成熟的純鋁散熱器的生命周期。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)：在鋁散熱片底部與銅塊之間使用高性能導(dǎo)熱介質(zhì)，施加80Kgf的力壓緊后用螺絲將其鎖緊，其散熱效果與銅鋁焊接的效果相當(dāng)，同樣達到了預(yù)計的散熱效能提升幅度。

這種方法較焊接簡單, 而且品質(zhì)穩(wěn)定，制程簡單，投入設(shè)備成本較焊接低，不過只是作為改進，所以性能提升不明顯。雖然有散熱膏填充，銅片與鋁底之間的不完全接觸仍然是熱量傳遞的最大障礙。

 

主要工序有：銅片裁切、校平(平面度小于0.1mm、鉆孔、涂抹導(dǎo)熱介質(zhì)鉆孔、攻牙、清洗、強力預(yù)壓程序、兩段式鎖合作業(yè)、定扭力鎖螺絲。

其制程中主要控制好銅、鋁平面度和粗糙度，以及鎖螺絲的扭力等因素，即可得到一定的效能提升，是一種不錯的銅鋁結(jié)合方式。如果使用的導(dǎo)熱介質(zhì)性能低劣，或是銅塊平整度不良，熱量就不能順利地傳導(dǎo)至鋁的散熱片表面，使散熱效果大打折扣。另外，螺絲的鎖合力和銅材的純度不夠，都是不良的影響因素。

　　

3.塞銅 嵌銅

　　

塞銅方式主要有兩種，一種是將銅片嵌入鋁制底板中，常見于用鋁擠壓工藝制造的散熱器中。由于鋁制散熱器底部的厚度有限，嵌入銅片的體積也受到限制。增加銅片的主要目的是加強散熱器的瞬間吸熱能力，而且與鋁制散熱器的接觸也很有限，所以大多數(shù)情況下，這種銅鋁散熱器比鋁制散熱器的效果好不了多少，在接觸不良的情況下，甚至為妨礙散熱。還有一種是將銅柱嵌入鰭片呈放射狀的鋁制散熱器中。Intel原裝散熱器就是采用了這樣的設(shè)計。銅柱的體積較大，與散熱器的接觸較為充分。采用銅柱后，散熱器的熱容量和瞬間吸熱能力都能增長。這種設(shè)計也是目前OEM采用較多的。

 

 

比較少見的三角底座

工藝一般有兩種：

1機械式壓合：

機械式壓合方式是將一塊直徑尺寸大于鋁孔徑的銅塊，通過機械的方式，將其壓合在一起，因為鋁有延展性，所以銅可以在常溫下與鋁質(zhì)散熱片結(jié)合，這種方式的結(jié)合的效果也是比較可觀，但有一個致命的缺點就是銅在被擠壓進入鋁孔的過程中，鋁孔內(nèi)表面容易被銅刮傷，嚴(yán)重影響熱的傳導(dǎo)。這要通過合理搭配過盈量以及優(yōu)化設(shè)計銅塊的形狀來避免此類問題的產(chǎn)生。

2熱脹冷縮結(jié)合:

在鋁的散熱片底部加工一個直徑ψ=D1的圓孔，另外做一個直徑ψ=D1+0.1MM的銅柱， 利用金屬材料的熱脹冷縮特點，將鋁質(zhì)散熱片加熱至400℃，其受熱膨脹圓孔直徑擴張至D1+0.2MM以上。利用專門機器在高溫下將常溫（或冷卻后的）銅柱快速塞入鋁質(zhì)散熱片之圓孔內(nèi)，待其冷卻收縮后，銅柱與鋁質(zhì)散熱片就能緊密結(jié)合一體。這也是一種可靠的方法，其銅鋁穩(wěn)定性很高，由于沒有使用第三方介質(zhì)，結(jié)合緊密度最佳。塞銅工藝可以大幅度降低接觸面間的熱阻，不但保證了銅鋁結(jié)合的緊密程度，更充分利用了兩種金屬材料的散熱特性。

但要注意銅柱和圓孔的直徑尺寸及表面粗糙度的品質(zhì)控制，這些會對其散熱效果有一定的影響。

 

在經(jīng)過塞銅工藝處理后，散熱器底面往往還要經(jīng)過“銑”和“磨”處理。銑工藝針對塞銅處理中的銅芯。磨工藝則針對整個散熱片底部進行磨平處理。

4．鍛造工藝（冷鍛）

鍛造工藝主要由ALPHA公司掌握，其是在金屬的特殊物理狀態(tài)（降伏狀態(tài)）下用高壓將其壓入鍛造模具，并在模具上預(yù)置銅塊，塞入降伏態(tài)的鋁中。由于降伏態(tài)時鋁的特殊性質(zhì)（非液態(tài)，柔軟，易于加工），銅和鋁可以完美的結(jié)合，達到中間無空隙，介面熱阻很小。鍛造工藝難度大，成本高，所以成品價格高昂，屬于非主流產(chǎn)品。采用這種工藝的散熱片一般都帶有許多密密麻麻的針狀鰭片。這種工藝制造的散熱片樣式豐富，設(shè)計的想象空間較大，但成本也相對較高。

5．插齒（Crimped Fin）技術(shù)大膽改進傳統(tǒng)的銅鋁結(jié)合技術(shù)。先將銅板刨出細槽，然后插入鋁片，其利用60噸以上的壓力，把鋁片結(jié)合在銅片的基座中，并且鋁和銅之間沒有使用任何介質(zhì)，從微觀上看鋁和銅的原子在某種程度上相互連接，從而徹底避免了傳統(tǒng)的銅鋁結(jié)合產(chǎn)生介面熱阻的弊端，大大提高了產(chǎn)品的熱傳到能力，并且可以生產(chǎn)銅片插鋁座，銅片插銅座等各種工藝產(chǎn)品，來滿足不同的散熱熱需求。這種技術(shù)充分的延長了一部分銅鋁結(jié)合技術(shù)的壽命。

 

除了上面介紹的外，還有一些銅鋁結(jié)合的方法，但工藝主要都是得保證銅與鋁的熱接觸面的結(jié)合品質(zhì)。否則其散熱效果還不如全鋁合金散熱片。新的制程是需要不斷驗證，不斷改進，最終才會達成預(yù)期的效果，在選用銅鋁結(jié)合的散熱器時切不可只看外觀，只有實際對比才能買到一個品質(zhì)優(yōu)良的銅鋁結(jié)合散熱器