散热原理——散热器加工成型技术

时下散热器的主流成型技术多为如下几类：
一、铝挤型散热片
铝挤压（Extruded）技术：铝，作为地壳中含有量最高的金属，成本低是其主要特点，并且由于铝挤压技术含量及设备成本相对较低，所以铝材质很早就应用在散热器市场。铝挤技术简单的说就是将铝锭高温加热至约 520~540℃，在高压下让铝液流经具有沟槽的挤型模具，作出散热片初胚，然再对散热片初胚进行裁剪、剖沟等处理后就做成了我们常见到的散热片。一般常用的铝挤型材料为 AA6063，其具有良好热传导率(约160~180 W/m.K)与加工性，为最普遍应用之制程。不过由于受到本身材质的限制散热鳍片的厚度和长度之比不能超过1：18，所以在有限的空间内很难提高散热面积，故铝挤散热片散热效果比较差，很难胜任现今日益攀升的高频率CPU。

二、铝压铸型散热片
除铝挤型外，另一个常被用来制造散热片的制程方式为铝压铸型散热片。其制程系将铝锭熔解成液态后，填充入金属模型内，利用压铸机直接压铸成型，制成散热片，采用压注法可以将鳍片做成多种立体形状，散热片可依需求作成复杂形状，亦可配合风扇及气流方向作出具有导流效果的散热片，且能做出薄且密的鳍片来增加散热面积，因工艺简单而被广泛采用。一般常用的压铸型铝合金为ADC12，由于压铸成型性良好，适用于做薄铸件，但因热传导率较差(约 96 W/m.K)，现在国内多以 AA1070 铝料来做为压铸材料，其热传导率高达 200 W/m.K 左右，具有良好的散热效果，但是以 AA1070 铝料来压铸存在着一些如下
所述之问题：
(1)压铸时表面流纹及氧化渣过多，会降低热传效果。
(2)冷却时内部微缩孔偏高，实质热传导率降低(K<200 W/m.K)。
(3)模具易受侵蚀，致寿命较短。
(4)成型性差，不适合薄铸件。
(5)材质较软，容易变型。
随着CPU主频的不断提升，为了达到较好的散热效果，采用压铸工艺生产的铝质散热器体积不断加大，给散热器的安装带来了很多问题，并且这种工艺制作的散热片有效散热面积有限，要想达到更好的散热效果势必提高风扇的风量，而提高风扇风量又会产生更大的噪音。
三、接合型制程散热片
　
这种散热片是先用铝或铜板做成鳍片，之后利用导热膏或焊锡将它结合在具有沟槽的散热底座上。结合型散热片的特点是鳍片突破原有的比例限制，散热效果好，而且还可以选用不同的材质做鳍片。此制程之优点为散热片细长比可高达60 倍以上，散热效果佳，且鳍片可选用不同材质制作，当然了，缺点也显而易见，就是利用导热膏和焊锡接结合鳍片和底座会存在介面阻抗问题，从而影响散热，为了改善这些缺点，散热片领域又运用了2种新技术。
首先是插齿技术，它是利用60吨以上的压力，把铝片结合在铜片的基座中，并且铝和铜之间没有使用任何介质，从微观上看铝和铜的原子在某种程度上相互连接，从而彻底避免了传统的铜铝结合产生介面热阻的弊端，大大提高了产品的热传到能力。最为成功的就是前文介绍的AVC公司。

第二种是回流焊接技术，传统的接合型散热片最大的问题是介面阻抗问题，而回流焊接技术就是对这一问题的改进。其实，回流焊接和传统接合型散热片的工序几乎相同，只是使用了一个特殊的回焊炉，它可以精确的对焊接的温度和时间参数进行设定，焊料采用用铅锡合金，使焊接和被焊接的金属得到充分接触，从而避免了漏焊空焊，确保了鳍片和底座的连接尽可能紧密，最大限度降低介面热阻，又可以控制每一个焊点的焊铜融化时间和融化温度，保证所有焊点的均匀，不过这个特殊的回焊炉价格很贵，主板厂商用的比较多，而散热器厂商则很少采用。
把这个技术做得很成功的就是Tt公司。回流焊接包括了铜鳍片冲压技术以及回流焊接两部分组成。鳍片冲压也是其难点，鳍片冲压由连续冲床和加工模具进行加工，加工模具精度非常高，技术含量也很高，国内少有厂商可以做到，Tt的模具是在台湾开的，而连续冲床只要加大投资就可以获得，因此大部分技术难点还是体现在模具上面。目前回流焊接做的比较好的厂商除了Tt还有AVC和Thermalright。 回流焊接工艺的精度与效果和制造成本呈线性关系：成本越高，精度越高，效果越好。如果风冷散热器都像Thermalright一样不计成本的使用回流焊接技术导致成品售价过高，则无疑加速了液冷时代的来临。
　
回流焊接流程
1. 搅拌锡膏
2. 检验铜片外观（铜底板和铜鳍片）
3. SMT自动印刷机将锡膏印在铜板上，可以使锡膏的厚度、宽度均匀一致
4. 经过连续冲床和加工模具进行鳍片加工
5. 冲压完成后，通过治具将铜底和鳍片进行定位，压力适中，为回流焊接做准备
6. 通过治具检查后，将半成品送入回流焊接生产线，通过计算机控制7段式温度，监测焊接温度。焊接温度直接影响到产品的质量，因此非常重要。不同的产品其温度参数都不相同
7. 焊接过程大概由高温到低温，陆续冷却
8. 拆卸治具
9. 在加热过程中锡膏除高温蒸发后还会有部分残留，于是要对散热片进行超音波清洗，将锡膏中的铸焊剂（如松香）等杂质进行清洗
10. 最后的钝化过程是对铜质散热片最不可缺少的部分，防止铜受到氧化，影响散热效果。

四、可挠性制程散热片
　　
可挠性散热片是先将铜或铝的薄板，以成型机折成一体成型的鳍片，然后用穿刺模将上下底板固定，再利用高周波金属熔接机，与加工过的底座焊接成一体，由于制程为连续接合，适合做高厚长比的散热片，且因鳍片为一体成型，有利于热传导之连续性，鳍片厚度仅有0.1mm，可大大降低材料的需求，并在散热片容许重量内得到最大热传面积。为达到大量生产，并克服材质接合时之接口阻抗，制程部份采上下底板同时送料，自动化一贯制程，上下底板接合采高周波熔焊接合，即材料熔合来防止接口阻抗的产生，以建立高强度、紧密排列间距的散热片。由于制程连续，故能大量生产，且由于重量大幅减轻，效能提升，所以能增加热传效率。
五、锻造制程散热片
锻造工艺就是将铝块加热后将铝块加热至降伏点，利用高压充满模具内而形成的，它的优点是鳍片高度可以达到50mm以上，厚度1mm以下，能够在相同的体积内得到最大的散热面积，而且锻造容易得到很好的尺寸精度和表面光洁度。但锻造时，由于冷却塑性流变时会有颈缩现象，使散热片易有厚薄、高度不均的情况产生，进而影响散热效率，因金属的塑性低，变形时易产生开裂，变形抗力大，需要大吨（500吨以上）位的锻压机械，也正因为设备和模具的高昂费用而导致产品成本极高。且因设备及模具费用高昂，除非大量生产否则成本过高。

全世界目前有能力制造出冷锻散热片厂商并不多，最为有名的就是日本的ALPHA，而台湾就是Taisol，MALICO-太业科技。冷锻的优点是可以在制造出散热面积比铝挤还大的散热片，且因铝挤制造过程是拉伸，所以铝金属组织是承水平方向扩大，而冷缎方向是垂直压缩的，因此对于散热上，冷锻占较大的优势，缺点是成本高，有技术可制造生产的厂商亦不多。
六、金属粉末射出成型散热片
金属粉末射出成型散热片主要应用在高熔点、高热传导的材料(如铜)，其方式系采金属粉末射出方式，直接做成散热片初胚，再利用高温烧结，制成具有强度及密度之成品。其优点为可将高导热之铜粉末直接一体成型，成为高效能之散热片，适用于高发热量及受空间限制之电子产品上，其缺点为原料成本贵及产品良率较低，多应用于有较高利润之产品。
鳍片式散热片使重量及散热面积都达到相当理想的状态，最大的问题就在其与散热片成型时，如果加工技术或品质不良，那么散热片所聚的热量无法顺利被引导、散热，那就会弄巧成拙。
七、刨床、切削工艺：
刨床式制程散热片系先以挤型方式做出带有凹槽之长条状初胚，再利用一特殊之刀具，将初胚削出一层层的鳍片出来，其散热鳍片的厚度可薄至 0.5mm 以下，且鳍片与底板是一体成型，较没有接口阻抗的问题，但是缺点为成型的过程中，由于材料应力集中，鳍片与底板接合处会产生肉眼不易察觉之裂缝，进而影响散热片之散热功能，且由于废料、量产性及良率之问题，使得制作成本较高，故目前多偏向于铜材质散热片之应用。

切削技术就是对一整块金属进行一次性切削，形成很薄、很密散热鳍片，从而有效地增加了散热面积。由于要进行切削，金属的硬度不能太高，所以铝的含量会比普通铝合金散热片稍高，成型后的散热器质量很轻，安装方便。这种技术虽然原料成本与普通压铸成型的散热器相当，但工艺要求高，加工困难，因此产品并不多。
精密切割技术
精密切割技术是将一块整体的型材（铝/铜），根据需要用特殊的切割机床在基座上切割出指定间距的散热鳍片。相比传统的铝挤压工艺，精密切割技术可以在单位体积内切割出更大的散热面积（增加50%以上）。精密切割技术切割出的散热片表面会形成粗颗粒，这种粗颗粒可以使散热片和空气的接触面更大，提升散热效率。精密切割的最大优势是散热器属于整体切割成型，散热鳍片和散热底座结合为一体，精密切割技术制造的散热片不存在介面热阻的问题，热传导效率非常高。

七、扩展结合工艺：
扩展结合工艺跟插齿工艺有些类似，先将铝或铜板做成鳍片，在高温下将鳍片插入带沟槽的散热器底部，不过扩展结合工艺在插入鳍片的同时还要塞入一个短铜片以产生过盈连接并提高散热鳍片与散热器底部的连接面积，来减小接触热阻，该工艺的接触热阻非常不错，该工艺已经被不少日系厂商所采用。

八、折叶（Fold FIN）技术：
Fold FIN（金属折叶）技术，其原理与Skiving技术类似，是将单片的鳍片排列在特殊材料焊接的散热片底板上，由于鳍片可以达到很薄，鳍片间距也非常大，在单位面积可以使有效散热面积倍增，从而大大提高散热效果。Fold FIN技术也很复杂，一般厂家很难保证金属折叶和底部接触紧密，如果这点做得不好，散热效果会大打折扣。现在只有在某些显卡上才能见到它的身影了。同时折叶工艺并非一项单独的制造工艺，它往往伴随回流焊接工艺。使用折叶工艺可以更好的控制焊接的精度，同时提高鳍片的强度。折叶后鳍片之间相互连接，还可以改善热量传递。Fold FIN技术也很复杂，一般厂家很难保证金属折叶和底部接触紧密，如果这点做得不好，散热效果会大打折扣。而在目前的表表者当属ZALMAN公司的一系列产品了，其制造的散热器有着散热效果好和低噪音的相结合效果。

要安装这么密集的鳍片而保持与底座良好的热传递性能的确不容易，为了降低鳍片的安装难度，不少散热器采用了折叠鳍片的办法。
九、压固法
将众多的铜片或铝片叠加起来，将其中一个侧面加压并抛光与CPU核心接触，另一侧面伸展开来作为散热片的鳍片。压固法制作的散热器其特点是鳍片数量可以做的很多，而且不需要很高的工艺就能保证每个鳍片都能与CPU核心保持良好的接触而各个鳍片之间也通过压固的方式有着紧密的接触，彼此之间的热量传导损失也会明显降低，因此这种散热器的散热效果往往不错。

 

标签： 点击： 评论: