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神奇的摩尔定律预言,集成电路上晶体管数量每两年会翻一番,为提高运算性能,半导体工程师一直不断提高硅片上晶体管集成度,使其一次又一次地被验证,
1971年至今,单芯片上的晶体管数目已经增长一万八千多倍!集成度的提高也成为推动计算机业繁荣的力量之一.目前的CPU采用线宽130纳米(0.13微米)制造技术,90纳米生产工艺制造的CPU即将正式出炉,以及"激光辅助直接刻印法"（LADI）和"远紫外平版印刷技术"（EUV）等生产工艺的研发成功问世都表明制造密度更高,运算速度更快的CPU还存在很大的技术空间,未来的CPU集成的晶体管密度还会日益成倍增长,即单位面积内集成的晶体管数量成倍增长.但是会使总的能量消耗以及因此而转换的热量也是水涨船高.更严重的是,CPU消耗的电能变换为热能的形式,不仅仅是功率值的增长,还有它是集中在一个更小的尺寸空间,将给散热带来空前的难度,若不能有效解决散热问题,高密度集成技术就不能被应用,这将是阻碍CPU发展的一大瓶颈.以INTEL刚推出的P4
3.06G的CPU为例,在约11.9×12.1mm2的Die面积集成了5500万晶体管,其最大发热功率约70W,其下一阶段P4 3.6GHZ以上CPU的散热难度对CPU散热器厂家来讲确实是一个严峻的考验.
为了取得好的散热效果,有很多厂家纷纷推出一些比较"极端"的散热产品（如水冷，液氮冷却器等）以争取突破迫在眉睫的散热问题．其实，这些产品目前还处在"商业渲染"阶段，没有被大量用于CPU散热,一是因为这些产品可靠性、品质还没有保证,而且没有个标准架构,无法普及,二是目前风冷散热器还可以正常使用相当长一段时间,好的散热片结构和热流设计依然可以满足散热需求,风冷散热器散热效能还有较大提升空间,比方说散热片铜铝结合技术的应用就能大幅提升风冷散热器的散热效能.
CPU是一个高密度的发热源,先要把热量分散到一个较大的面积,再借助风扇的强制对流作用将其散发到空气中,达到散热目的.热量从CPU核心散发到散热片表面,是一个热传导过程.散热片选用较高导热系数的材料对提高热传导效率很有帮助,如铝的导热系为735KJ/(M.H.K),铜的导热系数为1386KJ/(M.H.K),在所有其它条件均相同的时候,铜在单位时间内传导的热量是铝的近两倍.
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可见将铝合金散热片改用铜来制造,对热的传导速率将会有一个很可观的提升,这样当然就对CPU高度集中的热量具有明显"疗效".但是,还需要考虑铜的比重比铝大,将不符合散热片重量限制的要求;
红铜的硬度不如铝合金AL6063,某些机械加工(如剖沟等)性能不如铝;铜的熔点比铝高很多,不利于挤压成形( Extrusion )等等问题.
所以我们就把铜、铝结合应用,利用铜的高导热系数特点,把热量传导至铝材质的鳍片,再通过风扇的对流作用散发至空气中.既保证其重量不超标,又可量产,也取得了一定的效能提升.
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目前市面上充斥着各种各样的铜铝结合的CPU散热器,采用不同的工艺将铜与铝结合在一起,常用的有焊焊、螺丝锁合,热胀冷缩结合,机械式压合等方式.
1. 焊焊
焊焊是采用熔点比母材熔点低的金属材料作为焊料,在低于母材熔点而高于焊料熔点的温度下,利用液态焊料润湿母材,填充接头间隙,然后冷凝形成牢固接合界面的焊接方法.主要工序有:材料前处理
、组装、加热焊接、冷却、后处理等工序.常用的焊焊方式是锡焊焊,铝表面在空气中会形成一层非常稳定的氧化层(AL2O3),使铜铝焊接难度较高,这是阻碍焊接的最大因素.必须要将其去除或采用化学方法将其去除后并电镀一层镍或其它容易焊接的金属,这样铜铝才能顺利焊接在一起.
散热片上的铜底是进行热的传导,要求的不仅是机械强度,更重要的是焊接的面积要大(焊着率要高),才能有效地提升散热效能,否则不断不会提升散热效能,反而会使其比全铝合金的散热片更加糟糕.目前市场上的采用铜铝焊接的散热片最为严重的就是焊着率低,或品质不稳定,几乎所有采用焊接技术的散热片连焊着率的检验手段及检验标准都没有,只从外观是不能检查出焊接质量好坏的.下图是我们使用无损扫描探伤仪检测出的焊接界面(样品是从零售市场随机抽取) |
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| 上图中红色部分为焊接不良区,蓝色区域结合良好,但总的焊着率都比较低且不稳定.通过多次实验及严格控制生产参数,焊接出品质合格的产品扫描图形如右方图: |
（不斷改進后焊著率大大提高）
虽然上图中的样品焊着率为90%以上,但量产中要保证稳定的焊接品质,难度系数确实不小. |
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2. 螺丝锁合
经过测试发现:在铝散热片底部与铜块之间使用高性能导热介质,施加80Kgf的力压紧后用螺丝将其锁紧,其散热效果竟与铜铝焊接的效果相当,同样达到了预计的散热效能提升幅度.
这种方式较焊接简单,而且品质稳定,制程简单,投入设备成本较焊接低. 主要工序有:铜片裁切、校平(平面度小于0.1mm、钻孔、涂抹导热介质钻孔、攻牙、清洗、强力预压程序、两段式锁合作业、定扭力锁螺丝.
其制程中主要控制好铜、铝平面度和粗糙度,以及锁螺丝的扭力等因素,即可得到一定的效能提升,是一种不错的铜铝结合方式.
如果使用的导热介质性能低劣,或是铜块平整度不良,热量就不能顺利地传导至铝的散热片表面,使散热效果大打折扣.另外,螺丝的锁合力和铜材的纯度,都是不良的影响因素.
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3.热胀冷缩结合:
在铝的散热片底部加工一个直径ψ=D1的圆孔,另外做一个直径ψ=D1+0.1MM的铜柱(如下图),将铝质散热片加热至400℃,其受热膨胀圆孔直径扩张至D1+0.2MM以上.利用专门机器在高温下将常温铜柱快速塞入铝质散热片之圆孔内,待其冷却收缩后,铜柱与铝质散热片就能紧密结合一体.这也是一种可靠的方法,其铜铝稳定性很高,结合紧密度最佳.但要注意铜柱和圆孔的直径尺寸及表面粗糙度的品质控制,这些会对其散热效果有一定的影响. |
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4.机械式压合:
机械式压合方式是将一块直径尺寸大于铝孔径的铜块,通过机械的方式,将其压合在一起,因为铝有延展性,所以铜可以在常温下与铝质散热片结合,这种方式的结合的效果也是比较可观,但有一个致命的缺点就是铜在被挤压进入铝孔的过程中,铝孔内表面容易被铜刮伤,严重影响热的传导.这要通过合理搭配过盈量以及优化设计铜块的形状来避免此类问题的产生.
总之,铜铝结合的方法还有很多,但都是要保证铜与铝的热接触面的结合品质.否则其散热效果还不如全铝合金散热片.
新的制程是需要不断验证,不断改进,最终才会达成预期的效果,在选用铜铝结合的散热器时切不可只看外观,千万要实测对比,才能买到一个品质优良的铜铝结合散热器. |
【作者：CoolerMaster 北京】 版权作品
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