散熱原理——散熱器加工成型技術

時下散熱器的主流成型技術多為如下幾類：
一、鋁擠型散熱片
鋁擠壓（Extruded）技術：鋁，作為地殼中含有量最高的金屬，成本低是其主要特點，并且由于鋁擠壓技術含量及設備成本相對較低，所以鋁材質很早就應用在散熱器市場。鋁擠技術簡單的說就是將鋁錠高溫加熱至約 520~540℃，在高壓下讓鋁液流經具有溝槽的擠型模具，作出散熱片初胚，然再對散熱片初胚進行裁剪、剖溝等處理后就做成了我們常見到的散熱片。一般常用的鋁擠型材料為 AA6063，其具有良好熱傳導率(約160~180 W/m.K)與加工性，為最普遍應用之制程。不過由于受到本身材質的限制散熱鰭片的厚度和長度之比不能超過1：18，所以在有限的空間內很難提高散熱面積，故鋁擠散熱片散熱效果比較差，很難勝任現今日益攀升的高頻率CPU。

二、鋁壓鑄型散熱片
除鋁擠型外，另一個常被用來制造散熱片的制程方式為鋁壓鑄型散熱片。其制程系將鋁錠熔解成液態后，填充入金屬模型內，利用壓鑄機直接壓鑄成型，制成散熱片，采用壓注法可以將鰭片做成多種立體形狀，散熱片可依需求作成復雜形狀，亦可配合風扇及氣流方向作出具有導流效果的散熱片，且能做出薄且密的鰭片來增加散熱面積，因工藝簡單而被廣泛采用。一般常用的壓鑄型鋁合金為ADC12，由于壓鑄成型性良好，適用于做薄鑄件，但因熱傳導率較差(約 96 W/m.K)，現在國內多以 AA1070 鋁料來做為壓鑄材料，其熱傳導率高達 200 W/m.K 左右，具有良好的散熱效果，但是以 AA1070 鋁料來壓鑄存在著一些如下
所述之問題：
(1)壓鑄時表面流紋及氧化渣過多，會降低熱傳效果。
(2)冷卻時內部微縮孔偏高，實質熱傳導率降低(K<200 W/m.K)。
(3)模具易受侵蝕，致壽命較短。
(4)成型性差，不適合薄鑄件。
(5)材質較軟，容易變型。
隨著CPU主頻的不斷提升，為了達到較好的散熱效果，采用壓鑄工藝生產的鋁質散熱器體積不斷加大，給散熱器的安裝帶來了很多問題，并且這種工藝制作的散熱片有效散熱面積有限，要想達到更好的散熱效果勢必提高風扇的風量，而提高風扇風量又會產生更大的噪音。
三、接合型制程散熱片
　
這種散熱片是先用鋁或銅板做成鰭片，之后利用導熱膏或焊錫將它結合在具有溝槽的散熱底座上。結合型散熱片的特點是鰭片突破原有的比例限制，散熱效果好，而且還可以選用不同的材質做鰭片。此制程之優點為散熱片細長比可高達60 倍以上，散熱效果佳，且鰭片可選用不同材質制作，當然了，缺點也顯而易見，就是利用導熱膏和焊錫接結合鰭片和底座會存在介面阻抗問題，從而影響散熱，為了改善這些缺點，散熱片領域又運用了2種新技術。
首先是插齒技術，它是利用60噸以上的壓力，把鋁片結合在銅片的基座中，并且鋁和銅之間沒有使用任何介質，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的銅鋁結合產生介面熱阻的弊端，大大提高了產品的熱傳到能力。最為成功的就是前文介紹的AVC公司。

第二種是回流焊接技術，傳統的接合型散熱片最大的問題是介面阻抗問題，而回流焊接技術就是對這一問題的改進。其實，回流焊接和傳統接合型散熱片的工序幾乎相同，只是使用了一個特殊的回焊爐，它可以精確的對焊接的溫度和時間參數進行設定，焊料采用用鉛錫合金，使焊接和被焊接的金屬得到充分接觸，從而避免了漏焊空焊，確保了鰭片和底座的連接盡可能緊密，最大限度降低介面熱阻，又可以控制每一個焊點的焊銅融化時間和融化溫度，保證所有焊點的均勻，不過這個特殊的回焊爐價格很貴，主板廠商用的比較多，而散熱器廠商則很少采用。
把這個技術做得很成功的就是Tt公司?；亓骱附影算~鰭片沖壓技術以及回流焊接兩部分組成。鰭片沖壓也是其難點，鰭片沖壓由連續沖床和加工模具進行加工，加工模具精度非常高，技術含量也很高，國內少有廠商可以做到，Tt的模具是在臺灣開的，而連續沖床只要加大投資就可以獲得，因此大部分技術難點還是體現在模具上面。目前回流焊接做的比較好的廠商除了Tt還有AVC和Thermalright。 回流焊接工藝的精度與效果和制造成本呈線性關系：成本越高，精度越高，效果越好。如果風冷散熱器都像Thermalright一樣不計成本的使用回流焊接技術導致成品售價過高，則無疑加速了液冷時代的來臨。
　
回流焊接流程
1. 攪拌錫膏
2. 檢驗銅片外觀（銅底板和銅鰭片）
3. SMT自動印刷機將錫膏印在銅板上，可以使錫膏的厚度、寬度均勻一致
4. 經過連續沖床和加工模具進行鰭片加工
5. 沖壓完成后，通過治具將銅底和鰭片進行定位，壓力適中，為回流焊接做準備
6. 通過治具檢查后，將半成品送入回流焊接生產線，通過計算機控制7段式溫度，監測焊接溫度。焊接溫度直接影響到產品的質量，因此非常重要。不同的產品其溫度參數都不相同
7. 焊接過程大概由高溫到低溫，陸續冷卻
8. 拆卸治具
9. 在加熱過程中錫膏除高溫蒸發后還會有部分殘留，于是要對散熱片進行超音波清洗，將錫膏中的鑄焊劑（如松香）等雜質進行清洗
10. 最后的鈍化過程是對銅質散熱片最不可缺少的部分，防止銅受到氧化，影響散熱效果。

四、可撓性制程散熱片
　　
可撓性散熱片是先將銅或鋁的薄板，以成型機折成一體成型的鰭片，然后用穿刺模將上下底板固定，再利用高周波金屬熔接機，與加工過的底座焊接成一體，由于制程為連續接合，適合做高厚長比的散熱片，且因鰭片為一體成型，有利于熱傳導之連續性，鰭片厚度僅有0.1mm，可大大降低材料的需求，并在散熱片容許重量內得到最大熱傳面積。為達到大量生產，并克服材質接合時之接口阻抗，制程部份采上下底板同時送料，自動化一貫制程，上下底板接合采高周波熔焊接合，即材料熔合來防止接口阻抗的產生，以建立高強度、緊密排列間距的散熱片。由于制程連續，故能大量生產，且由于重量大幅減輕，效能提升，所以能增加熱傳效率。
五、鍛造制程散熱片
鍛造工藝就是將鋁塊加熱后將鋁塊加熱至降伏點，利用高壓充滿模具內而形成的，它的優點是鰭片高度可以達到50mm以上，厚度1mm以下，能夠在相同的體積內得到最大的散熱面積，而且鍛造容易得到很好的尺寸精度和表面光潔度。但鍛造時，由于冷卻塑性流變時會有頸縮現象，使散熱片易有厚薄、高度不均的情況產生，進而影響散熱效率，因金屬的塑性低，變形時易產生開裂，變形抗力大，需要大噸（500噸以上）位的鍛壓機械，也正因為設備和模具的高昂費用而導致產品成本極高。且因設備及模具費用高昂，除非大量生產否則成本過高。

全世界目前有能力制造出冷鍛散熱片廠商并不多，最為有名的就是日本的ALPHA，而臺灣就是Taisol，MALICO-太業科技。冷鍛的優點是可以在制造出散熱面積比鋁擠還大的散熱片，且因鋁擠制造過程是拉伸，所以鋁金屬組織是承水平方向擴大，而冷緞方向是垂直壓縮的，因此對于散熱上，冷鍛占較大的優勢，缺點是成本高，有技術可制造生產的廠商亦不多。
六、金屬粉末射出成型散熱片
金屬粉末射出成型散熱片主要應用在高熔點、高熱傳導的材料(如銅)，其方式系采金屬粉末射出方式，直接做成散熱片初胚，再利用高溫燒結，制成具有強度及密度之成品。其優點為可將高導熱之銅粉末直接一體成型，成為高效能之散熱片，適用于高發熱量及受空間限制之電子產品上，其缺點為原料成本貴及產品良率較低，多應用于有較高利潤之產品。
鰭片式散熱片使重量及散熱面積都達到相當理想的狀態，最大的問題就在其與散熱片成型時，如果加工技術或品質不良，那么散熱片所聚的熱量無法順利被引導、散熱，那就會弄巧成拙。
七、刨床、切削工藝：
刨床式制程散熱片系先以擠型方式做出帶有凹槽之長條狀初胚，再利用一特殊之刀具，將初胚削出一層層的鰭片出來，其散熱鰭片的厚度可薄至 0.5mm 以下，且鰭片與底板是一體成型，較沒有接口阻抗的問題，但是缺點為成型的過程中，由于材料應力集中，鰭片與底板接合處會產生肉眼不易察覺之裂縫，進而影響散熱片之散熱功能，且由于廢料、量產性及良率之問題，使得制作成本較高，故目前多偏向于銅材質散熱片之應用。

切削技術就是對一整塊金屬進行一次性切削，形成很薄、很密散熱鰭片，從而有效地增加了散熱面積。由于要進行切削，金屬的硬度不能太高，所以鋁的含量會比普通鋁合金散熱片稍高，成型后的散熱器質量很輕，安裝方便。這種技術雖然原料成本與普通壓鑄成型的散熱器相當，但工藝要求高，加工困難，因此產品并不多。
精密切割技術
精密切割技術是將一塊整體的型材（鋁/銅），根據需要用特殊的切割機床在基座上切割出指定間距的散熱鰭片。相比傳統的鋁擠壓工藝，精密切割技術可以在單位體積內切割出更大的散熱面積（增加50%以上）。精密切割技術切割出的散熱片表面會形成粗顆粒，這種粗顆?？梢允股崞涂諝獾慕佑|面更大，提升散熱效率。精密切割的最大優勢是散熱器屬于整體切割成型，散熱鰭片和散熱底座結合為一體，精密切割技術制造的散熱片不存在介面熱阻的問題，熱傳導效率非常高。

七、擴展結合工藝：
擴展結合工藝跟插齒工藝有些類似，先將鋁或銅板做成鰭片，在高溫下將鰭片插入帶溝槽的散熱器底部，不過擴展結合工藝在插入鰭片的同時還要塞入一個短銅片以產生過盈連接并提高散熱鰭片與散熱器底部的連接面積，來減小接觸熱阻，該工藝的接觸熱阻非常不錯，該工藝已經被不少日系廠商所采用。

八、折葉（Fold FIN）技術：
Fold FIN（金屬折葉）技術，其原理與Skiving技術類似，是將單片的鰭片排列在特殊材料焊接的散熱片底板上，由于鰭片可以達到很薄，鰭片間距也非常大，在單位面積可以使有效散熱面積倍增，從而大大提高散熱效果。Fold FIN技術也很復雜，一般廠家很難保證金屬折葉和底部接觸緊密，如果這點做得不好，散熱效果會大打折扣?，F在只有在某些顯卡上才能見到它的身影了。同時折葉工藝并非一項單獨的制造工藝，它往往伴隨回流焊接工藝。使用折葉工藝可以更好的控制焊接的精度，同時提高鰭片的強度。折葉后鰭片之間相互連接，還可以改善熱量傳遞。Fold FIN技術也很復雜，一般廠家很難保證金屬折葉和底部接觸緊密，如果這點做得不好，散熱效果會大打折扣。而在目前的表表者當屬ZALMAN公司的一系列產品了，其制造的散熱器有著散熱效果好和低噪音的相結合效果。

要安裝這么密集的鰭片而保持與底座良好的熱傳遞性能的確不容易，為了降低鰭片的安裝難度，不少散熱器采用了折疊鰭片的辦法。
九、壓固法
將眾多的銅片或鋁片疊加起來，將其中一個側面加壓并拋光與CPU核心接觸，另一側面伸展開來作為散熱片的鰭片。壓固法制作的散熱器其特點是鰭片數量可以做的很多，而且不需要很高的工藝就能保證每個鰭片都能與CPU核心保持良好的接觸而各個鰭片之間也通過壓固的方式有著緊密的接觸，彼此之間的熱量傳導損失也會明顯降低，因此這種散熱器的散熱效果往往不錯。

 

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