散热片加工工艺和设计注意事项

4)具有吸引力的商品外观,一定的耐蚀性,以及阳极化着的处理的能力.
6063-T5型材成份:铝Al﹥98%,镁Mg0.45%~0.90%,硅Si0.20%~0.60%,铁Fe≤0.35%,铜Cu<0.10%, 锌Zn<0.10%,锰Mn<0.10%,钛Ti<0.10%,其它<0.15%,羽毛球拍穿线机
e.热管:
1)从热力学的角度看,物体的吸热、放热是相对的,只要有温度差存在,就必然出现热从高温处向低温处传递的现象,有差别的只是传导速度。热传递有3种方式:辐射、对流、传导,其中热传导最快。目前用于计算机系统散热的热管一般是中空的圆柱形铝管或铜管,当中一部分空间充有易于蒸发的液体,管壁有吸液芯,由毛细多孔材料构成。管中始终保持真空状态,因而当中的液体的蒸发温度与环境温度相近。热管两端产生温差的时候,蒸发端(图中所示的红端)的液体就会迅速沸腾气化。由于气化后蒸气压力较大,在压力差的作用下,产生的蒸气上升到冷却层(图中所示的蓝端)后冷凝成液体,液化释放热量,以实现把热量从蒸发端带向冷凝端。利用液态和气态之间相变反应的高速度,热管的热传导效率比普通的纯铜高数十倍,甚至上百倍。因此,应用热管技术可以在极短的时间内将热量从热管的热端传导到热管的冷端而不会在发热部位堆积,均匀地分布到散热片的各个鳍片上,极大的提高了散热片的导热性能。液体在冷凝端凝结液化以后,通过毛细作用,流回蒸发端。如此循环往复,不断地将热量带向温度低的一端。
2)热管技术用于芯片散热,有着以下的优点:
三维激光扫描技术
1、可实现无噪音的高速度热传导;
2、重量轻且构造简单;
3、温度分布平均,可起均温或等温作用;
爆闪灯管
4、热传输量大且热传送距离长;
5、没有主动元件,本身并不消耗能量;
6、可以在无重力力场的环境下使用;
7、没有热传方向的限制,蒸发端以及凝结端可以互换;8、耐用、寿命长、可靠,易于存放和保管
3)同时,它也存在以下的限制:
1、目前而言,价格仍然较高
2、采用热管要引入额外的热阻。热管的热端不能和CPU表面直接接触,必须加上用于导热的铜底,这增加了一
个额外的接触热阻;热管的冷端需要散热,散热鳍片与热管之间又是一个接触热阻。换言之,要利用热管优良的导热能力,至少需要付出两个接触热阻的代价。
膜盒
3、如果热管有很大的弯曲或折角,势必会影响介质的流动,降低导热能力。因此在设计热管散热器
的时候,不能
有很大的弯曲和折角。
从上面的介绍我们可以看出,热管本身只起加快热传导速度的作用,并不起散热作用,,所有的热管都必须与其他散热设备搭配才能工作,热管并不能算一种完整的散热方式。在目前的CPU散热上,热管的应用只能算是传统风冷散热的一种改进或加强。所以,一款优秀的热管散热器仍然离不开优秀的散热片设计。只注意到热管提供的优秀的导热能力,而对于散热鳍片和风扇的设计不够重视,最终的效果必不理想。因此,仅把热管作为卖点的散热器并无太多可取之处,我们要根据整体设计合理和以及实际效果来判断散热器的优劣。
4)导热管的属性、类别
在基础原理后,进一步要了解更多的技术细节,这包括导管材料的选择、毛细结构的选择、工作流体的选择、管径决定、管长决定、管壁厚度、毛细结构厚度、蒸发区(或称:蒸发段)长度、冷凝段长度、介于蒸发与冷凝间的绝热段长度、以及是否要进行弯管等等。
先就管材而言,管材的要求取向包括:1.不能与管内的毛细结构、工作流体产生化学作用(运作稳定性)。2.
热传导率要高、热阻要低(加速散热)。3.不容易脆化(以防外力遭致导管断裂)。4.焊接时有较佳的气密性(加速导热、散热)。以此来看,最合适的管材多半为铜、铝,目前尤其以铜、无氧铜为大宗。
接着是毛细结构,事实上热导管的主要类型区分也在毛细结构,现阶段常见的毛细结构有沟槽式、网目式、
纤维式、烧结式,其中又以烧结式为最佳,烧结式无论热导管以何种方位角度放置都可无碍地进行毛细回流,其他的毛细结构则多少仍有导管方位、角度的限制,对行动用产品而言格外重视这项特性。此外,不同的管材也要搭配不同的毛细结构作法,有些管材不能使用烧结方式来实现毛细结构。
再来是工作流体,也可说是导热介质或冷媒,工作流体必须考虑它的热传量、热阻性、蒸发温度与凝结温度、可用的运作温度范畴,以及跟哪些管材不会发生化学作用。举例来说,若以氨(Ammonia)为工作流体,则管材方面就不能选择用铜,因为两者会起化学作用。同样的,选择甲醇(Methanol)为工作流体,那么管材就不能用铝。
除此之外,工作流体也要能与毛细结构适切搭配,流体的黏滞系数低,则毛细回流的速度快,如此可更快完成循环,可提升散热效率,另外流体的表面张力大,进而增加毛细作用力,也一样有助于快速回流。
值得一提的是,流体注入管内后,为了让流体有更低的沸点,使其只要稍受些许热温就能够开始进行蒸发,所以多半让管内以真空、负压方式进行密闭。就目前而言,热导管最常用的工作流体为水(Water),至于其他可选且常见的工作流体还有甲醇(Methanol)、乙醇(Ethanol)、丙酮(Acetone)、以及庚烷(Heptane)等。
要注意的是,水虽是现有最理想的热导管用流体,但水却容易与铝、铁发生化学反应,所以选择水为工作流体时,管材方面不能选择铝或铁。
引向器5)管径、管长、管厚等选定
管材、结构、流体选定后,进一步的还要决定管径、管长、管壁厚度、毛细结构厚度。
首先是管径,就理论而言,管径愈大、管内截面积愈大,热导管的散热能力也会愈好,不过通常碍于产品机内体积的限制,使得热导管的管径无法过大,以最常运用热导管的笔记本电脑而言,其管径多数都在3mm(公厘)以下。而桌面计算机有较宽裕的空间,通常使用6mm、8mm以上的管径。
同样的,管长方面也是愈长愈能增加散热力,然而此方面也同样受机内体积而必须有所收敛,有时为了配合机内空间的配置设计,以及尽可能增加管长等因素,会让热导管进行角度性的弯管,然而弯管后对气体的蒸发、液体的回流等也会有速率上的影响,这些都必须加以考虑。
除了管径、管长外,管壁厚度也必须考虑,原则上管壁愈薄愈好,愈薄愈有助于热的传导,不过管壁毕竟要承受外界的一大气压力(1atm)的压力差,所以也不可能不断薄化,否则容易导致导管内凹变形(受管外的大气压力而造成内压变形)。
当然,导管能承受多大的外压,此与管材有密切关系,不过管材也并非随时都有一定的强度,温度一旦升高管材强度也会减弱,这时就必须倚赖较厚的管壁来防制内凹变形,就一般来说,以纯铜做为管材,在受热100℃以下时,建议的管壁厚度必须是管径的1/79以上,若以前述的管径3mm为准,则管壁必须厚过0.03797mm 才行。
另外,毛细结构部分除了选择网目、烧结等各类型结构外,结构本身的厚度也必须权衡,结构上还有粉末,粉末颗粒的粒径也必须考虑,还有孔隙度、视密度(apparent density)等,也都会影响毛细回流的速率。
2.散热片分类:
1)切削:切削工艺的具体种类很多,从无润滑切削到润滑切削,从高速切削到激光切割,从车、钻到铣、磨,在散热片的成形过程中,为了获得一些较特殊、精细的形状,都需要使用切削工艺。具体用途主要有板材(吸热底、鳍片等)成形、散热片开槽、底面修整、特殊雕刻等。优势:根据不同方式、刀具,可适用于各种用途。
劣势:设备,主要是刀具磨损快,多数需要人工参与或自动化控制,成本较高。
2)铝挤压:铝挤压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。铝挤压技术较易实现,且设备成本相对较低,也使其在前些年的低端市场得到广泛的应用。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。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。优势:投资少、技术门槛低、开发周期短,易于投产;模具费用、生产成本低,产量大;适用范围广,既可制造单独散热片,也可制造结合型散热片的鳍片部分。
劣势:鳍片形状相对简单,无法获得很大(大于20)的瘦长比。典型产品:几乎所有一体成形铝合金片状鳍片散热片。
3)精密切削:一种独到的金属成形工艺,是最有望大范围应用的铜质散热片一体成形工艺。精密切削”的说法已经不知出自何处了,单从这名字上很难想象实际的加工工艺,但结合英文名称Skiving,就容易理解了。kiving,skive的动名词,为切片之意。加工方法为:将一整块金属型材根据需要。利用精确控制的特殊刨床切割出指定厚度的薄片,再向上弯折为直立状态,成为散热鳍片。优势:精密切削工艺最大的优势在于吸热底与鳍片一体成形,连接面积(连接比例)大,不存在介面阻抗,鳍片
较厚,能够更有效利用散热表面积;此外,精密切削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)。精密切削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,精密切削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。。劣势:受到原材料等的影响,良品率低;为了保证一定的应力,切割过程中无法将鳍片切得很薄、很长,即瘦长比不足;提供更大表面积的同时,片间距离短,过风空间较小,风阻较大。此外,相对铝挤压等适于大规模生产的成型工艺,精密切削的设备、人工成本高,大规模生产资金投入过大。
4)金属粉末喷射成形:金属粉末喷射成形散热片主要采用高熔点、高热传导的材料(如铜),其加工方式为:金属粉末高速喷射,直接做成散热片初胚,再利用高温烧结,制成具有相当强度与密度的成品。主要应用于具有较高发热量又明显受空间限制的特殊需求电子产品上,制造成本与价格均极高。优势:金属粉末烧结一体成型,热传导率高;可加工具有复杂形状的散热片,设计者受限制较少。劣势:原料、设备、模具成本高,工艺复杂,良品率较低,不易量产。无——目前市场上未见实际产品,只是“传说中的”技术。
5)铝压铸:一种广泛应用的单体铝合金制品加工工艺。制造过程为:将铝合金原锭熔解成液态后,充填入模型内,利用压铸机一次性压铸成型,再经过冷却与后续处理,制成单体散热片。压铸工艺通常用来加工一些形状非常复杂的元件,使用在散热片加工中虽有些大材小用的意味,但的确可制造出一些具有特殊结构设计的产品。例如,可配合风扇及气流方向作出具有导流效果的散热片,或做出薄且密的鳍片来增加散热面积等。通常压铸型加工采用的铝合金为ADC12,具有良好的压铸成型特性,适用于制造细薄或复杂的铸件,但因热传导率较差,现在国内多以AA1070铝料来做为压铸材料。它的热传导率高,具有良好的散热效果,但压铸成形特性方面较ADC12存在着一些不足。与挤压工艺相同,也可用于铜质散热片加工,也因同样的原因实际上并未大范围采用。优势:一体成形,无介面阻抗;可制造细薄、密集或结构复杂的鳍片,易于一些特殊设计的实现。 劣势:材料得机械性能与导热性能不能两全;压铸时表面流纹及氧化渣过多,会降低热传导效果;冷却时内部微缩孔偏高,实质热传导率降低;模具寿命较短,设备相对复杂,产量较小,成本稍高。
6)铝压铸-改进型:在铝压铸工艺基础之上进行改进而来的接合型工艺。铝压铸-改进型工艺得制造过程为:先将冲压成形的鳍片插入模具内线切割而成的间隙中,再将铝液快速充填进去,令压铸成形的吸热底与插入的鳍片结合。优势:介面阻抗较其它接合型工艺低;鳍片可采用具有更高热传导率的材料,且预先加工的鳍片可具有更大的瘦长比。劣势:模具形状复杂,鳍片插入不易,影响其量产性;需要在模具中预先开槽,无法采用很高的鳍片密度。与铝压铸型相同,通常桌面散热器市场中非常少见,普遍用于笔记本散热解决方案中。
7)冲压与剪切:冲压与剪切都是大家较为熟悉的工艺,我们的许多日常用品与机箱等电脑配件均出于此。冲压所用设备为冲床,利用安装在冲锤底端的模具对板材进行冲切,可用于各种厚度片状金属材料的加工,例如风道式散热片所采用的细薄鳍片、部分嵌铜散热器所采用的铜板、带有特定缺口与孔位的导流罩、保护罩等的初型均为冲压而成。剪切所用设备为剪切机,结构类似于书刊装订中使用的铡刀,可用于具有一定厚度的片状或条状金属形材之切割,从0.2mm 的薄鳍片到1cm的吸热底,甚
至铝挤压而成的形材均需采用剪切进行初加工或后处理。优势:可根据需要加工出各种特殊形状,适用范围较广,可大批量自动化生产。劣势:切口并不平整,可能需要后续处理。各种后续结合型散热片中普遍采用。
8)折叶(鳍片):折叶是细薄鳍片加工过程中通常采用的一道工序。折叶用于将AA1050铝合金冲压而成的单体薄鳍片组合成密集平行鳍片的加工工艺,具体方法为:在成形时,鳍片的边缘保留有一小
段特别设计的凸出部分,将鳍片
固定在定制的模具中,将凸出部分弯折并互相锁合,成为排列整齐的平行鳍片。采用折叶工艺的另外一个目的则是补偿鳍片与吸热底的后续连接(通常为钎焊结合)所产生的介面阻抗。细薄的平行片状鳍片与吸热底的连接面积较小,同时考虑到连接面的实际接着率与介面阻抗,吸热底与鳍片间的热量传导可能成为散热片整个导热路径中的瓶颈。因此,折叶工艺会在鳍片将与吸热底连接的一侧留出一道折边,弯折锁扣后组合为一个相对平整的表面,即每片鳍片都增加了一个“较宽”的底面,侧视成为“L”形。如此一来,热量由吸热底通过连接面传导到单个鳍片的“底面”上,再由内部传导到实际散失热量的直立部分。优势:机械锁合结构简单,工序少;可补偿鳍片与吸热底后续连接产生的介面阻抗。劣势:为了保证结合的稳固与整齐,对鳍片单体冲压模具设计要求较高。
挂包钩
9)焊接:焊接作为一种非常传统的金属结合方式,几乎随处可见,在散热片加工中也被普遍采用。目前散热片加工中所采用仍然主要是钎焊,即采用熔点较母材低的焊料填充母材间的空隙,通过某种方式加热焊接部位至一定温度,令焊料熔化,填充母材间的空隙,冷却后即可结合为一体。从接触式传热到电磁感应加热,从火焰喷到激光器,从电弧到热风,焊接技术的迅速发展推动着新工艺的不断出现,令其成为了一门相当有深度与广度的专业学科,所涉及的信息绝非三言两语就可说明。散热片加工中最常用的焊接方式为回流焊- reflow soldering,又称再流焊。根据它的后一个名字可能更容易理解焊接过程——通过重新熔化(即再流)预置于母材之间的膏状软钎焊料,实现母材间的软钎焊。它主要的工艺特征是:用焊剂将要焊接的金属表面净化(去除氧化物),使之对焊料具有良好的润湿性;供给熔融焊料润湿金属表面;在焊料和焊接金属间形成金属间化合物;可以实现微焊接。回流焊的大致工序为:SMT在金属板(吸热底)上自动印刷锡膏->吸热底与鳍片定位->进入回流焊机->经过精确控制温度曲线的多道加温工序->熔化焊料,润饰母材->经过精确控制温度曲线的冷却工序->拆卸成品->超声波清洗。对于一些由于某种限制(例如热管的温度限制)不适合采用回流焊工艺,又需要焊接结合的散热片则可采用电阻钎焊。即利用母材接触面和焊料相对较高的电阻,短时间通过大电流,令接触面与焊料集中产生大量热量,熔化焊料,达到焊接的目的散热器采用焊接方式结合存在的最大问题就是焊着率。融化后的焊料作为连接两者的介质,是热量传导过程中必须通过的一道屏障,自然希望它的热传导阻抗(即介面阻抗)越小越好,在不更换材质的情况下即焊着率越高越好。
蓝的结合区以外都是热阻抗很大的不良焊接区。
上图中蓝的结合区以外都是热阻抗很大的不良焊接区。为了获得较高的焊着率,就需要SMT印刷的锡膏更加均匀,接触面更加平整,还应在焊接过程中施以相当的压力。 优势:吸热底与鳍片的组合多种多样;相关生产设备已经非常成熟,易于大规模生产。劣势:必然存在介面阻抗;一旦结合度不高,严重影响散热片性能;控制焊着率难度较高,检验不易,容易出现不良品;加工成本较高。

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