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散熱片在電子冷卻技術中的應用
分類:應用方案   日期:2016-07-20   來源:

利用散熱片來增加散熱的面積是熱管理技術中最常見也是最基本的方式,隨著電子器件發熱密度增加的趨勢,散熱的需求日益增加,散熱設計的困難度越來越高,所花費的成本也越來越多。舉例而言,早期計算機的CPU如286,發熱瓦數只有十幾瓦,因此只要約3公分高的散熱片加低轉速風扇就可解決,但是目前計算機的CPU用散熱片高度卻達到早期的3倍,鰭片數目增加3倍,風扇轉速也提升一倍,成本則增加5、6倍以上。雖然新制程及設計技術不斷提升,散熱片的應用在有限空間的限制下,似乎有漸漸趨向極限的趨勢,未來各種不同的冷卻技術如傳導散熱、水冷、冷凍循環以及浸入式沸騰冷卻等都可能用來解決散熱問題。盡管如此,散熱片仍是最經濟、最可靠的散熱方式,因此如何提升散熱片的效率成了很重要的課題。因此為了滿足未來電子散熱的需求,在散熱片的形狀、材料及制程上都必須有更新的技術,此外集成其它散熱器件的設計方式的也可以增加應用時的效率。本文將介紹散熱片的種類及制程,散熱片的應用以及未來的設計需求。
  散熱片的種類。

許多散熱片設計由于忽略了制造的概念,使得研發產品的可靠度及成本成為最后批量供應的障礙。由制造方式來看,氣冷的散熱片可分為下面幾種,表一則為制程性能參數的整理。

1. 壓印(Stampings)散熱片銅片或鋁片可用壓印的方式制成所需的形狀。此種制程成本低,適合批量供應,可用于低熱密度的器件。而壓印的器件在組裝上也有自動化的便利性,因此可進一步降低成本。

2. 擠型(Extrusion)散熱片擠型的制造方式是由將材料在高壓下強制流入??字諧尚味溝霉燙遄晃冉孛嫻牧ぬ?。擠形是散熱片制造中最廣泛使用的方式,設備投資的經額中等??刪珊崆械姆絞講匭蔚惱胱瓷⑷繞?,可產生鋸齒狀的鰭片以增加10~20%的效能,但會降低擠型的速度。擠型的高寬比限制可高到6,使用特殊模具設計時則可到10的高寬比。

3. 鑄造(Casting)散熱片將熔化的金屬加壓到金屬模中,以產生精確尺寸的器件。此技術可產生高密度的針狀散熱片。高的治具費用是最大的成本投資,但適合大量生產的低器件成本可補回此部分。鑄造散熱片的熱傳導性會受到固化時氣體滲入而產生多孔狀而降低。

4. 接著(Bonding)散熱片接著散熱片將鰭片組裝于散熱片底部,接著劑對散熱片的效率影響很大,如果制造不當,會形成熱的阻礙,一般使用導熱膠或是焊錫。接著散熱片的底部由于需特別加工,因此會使得成本較高,但由于制造技術的提升,以及接著劑的改良,如熱導性的鋁填充膠等,使得接著散熱片的成本降低。此種制程方式可制造高寬比高的散熱片,在不增加體積需求下可大量增加冷卻效率。

5. 折迭(Folding)散熱片折迭散熱片將金屬片折迭成鰭片數組形狀,由于將折迭的金屬片藉由焊錫及銅焊接的方式焊接于散熱片底部,因此在接口上造成額外的熱阻。在制作上的步驟增加,使得成本提升。而制造小間距的鰭片也是困難點。由于增加散熱面積,因此散熱效率不錯。

6. 改良式的鑄造(Modified die-casting)散熱片此種制造方式是傳統鑄造方式的延伸,首先將相當薄的壓印鰭片數組以間格物隔開,然后以夾具固定,使散熱片的底部鑄造時將鰭片固定于底部,而形成散熱片。此種方式消除了鰭片及底部材料的接口熱阻,此種制程可提供高的高寬比。

7. 鍛造(Forging)散熱片鍛造散熱片是用非常高的壓力敲擊(punch)方式將金屬材料壓入模中使鰭片成形,可能遇到的制程上的問題是材料會阻礙在模子中,使得高度不均一,熱鍛造比較容易,而冷鍛造可制造較密及較強的鰭片。鍛造方式的優點包括高強度、較小的表面粗糙度以及材料的均一性等。鍛造方式的散熱片具有較高的高寬比。

8. 切削(Skiving)散熱片這是一種新的散熱片制程方式,鰭片用特殊的刀具加工,使得弧狀的精密薄片由金屬塊削出,由于鰭片和金屬塊是相同材料,因此沒有接著散熱片或是折迭散熱片的缺點。由于制程技術的增進,目前也可制造出高密度的鰭片。目前采用的是6063鋁,銅的切削還在實驗階段。由于切削深度可以相當低,鰭片的厚度可以較薄,可以設計較輕性能較高的散熱片。

9. 機械加工(Machining)散熱片藉由機械加工的方式將材料從金屬塊中移除以形成鰭片的形狀。最常用的方式是在CNC 機器上采用一組切割鋸,鋸子之間有精密的距離,以切割出鰭片幾何形狀。由于加工時容易造成鰭片的破壞或卷曲,因此需二次加工。優點是容易自動化,因此未來仍有使用空間。

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