銅材在CPU 散熱器中的應用

江 鐘

(江西銅業集團公司 銅板帶有限公司，江西 南昌 330096)

1 引言

CPU 散熱器，由散熱風扇，散熱片和扣具三個部件所組成?；拘螤钜妶D1。

圖1 CPU 散熱器

CPU 是一個高密度的發熱源。現代微電子技術高速發展，使得集成電路的集成度與工作頻率越來越高。以處理器為例，單個硅核已集成了數十億個晶體管，且工作頻率已超過3GHz，功耗超過100 W［1］。CPU 散熱器的好壞對整臺電腦是否能正常高效工作至關重要，CPU 每升高2℃它的穩定性將降低10%。為了使CPU 發揮最佳性能并保證其穩定性及可靠性，必須利用有效的冷卻方式。所以熱設計工程師們在CPU 上加裝各種散熱器來對其進行冷卻［2］。散熱器的功能就是在最短的時間內最大限度地帶走CPU 產生的熱量，使CPU 溫度不會過高，從而保證CPU 可以正常工作且避免CPU 的損毀。

CPU 散熱器有兩個熱量接觸面，第一個接觸面是在CPU 和散熱器底部之間的熱量傳導的接觸面，第二個接觸面是其CPU 散熱器的散熱片與風扇所吹出的氣流和其散熱片一起產生的熱流。一個大風量的風扇加上材料不錯的散熱片是組成一個性能不錯的CPU 散熱器的必要條件。其次扣具的作用也不容忽視，扣具最大的作用就是將散熱器底面與CPU 平面緊密接觸，無論散熱器有著多強的性能和多好的測試效果，一旦他們之間有空隙時，其散熱效能不但會大打折扣和減少，甚至會燒毀CPU。為了提高接觸效果，必須用導熱硅酯來填補這些微小的空隙。CPU 溫度分布圖見圖2。

圖2 CPU 溫度分布云圖［3］

隨著低端主流的賽揚頻率上升到2GHz 左右和高端的Pentium 4 甚至達到了3GHz 以上，CPU 的主頻越來越高，從Intel 和AMD 的技術白皮書來看，處理器的標準工作溫度超過50℃以上的高溫。1971年至今，單芯片上的晶體管數目已經增長18000 多倍!集成度的提高也成為推動計算機業繁榮的力量之一。目前的CPU 采用線寬90nm(0.09μm)制造技術，65nm 生產工藝制造的CPU 也已出爐，以及“激光輔助直接刻印法”(LADI)和“遠紫外平版印刷技術”(EUV)等生產工藝的研發成功問世都表明制造密度更高，運算速度更快的CPU 還存在很大的技術空間，未來的CPU 集成的晶體管密度還會日益成倍增長，即單位面積內集成的晶體管數量成倍增長。但是會使總的能量消耗以及因此而轉換的熱量也是水漲船高。更嚴重的是，CPU 消耗的電能變換為熱能的形式，不僅僅是功率值的增長，還有它是集中在一個更小的尺寸空間，將給散熱帶來空前的難度，若不能有效解決散熱問題，高密度集成技術就不能被應用，這將是阻礙CPU 發展的一大瓶頸。

2 散熱器材質的選擇

銀是最好的傳導媒體，它的熱傳導率是最高的，其次是銅，然后是鋁。但銀非常之柔軟，不利于制造散熱器這種高密度的金屬器，且其昂貴的“身價”嚴重影響它的大面積推廣使用。通常柔軟的銀可以做成高檔的導熱硅脂，不過價值也是不菲的。

純鋁散熱器是早期最為常見的散熱器，其制造工藝簡單，成本低，到目前為止，純鋁散熱器仍然占據著相當一部分市場。為增加其鰭片的散熱面積，純鋁散熱器最常用的加工手段是鋁擠壓技術，鋁質散熱器主要用于中低端CPU 市場。

鋁的熱傳導系數為237W/mK，銅的熱傳導系數則為401W/mK，銅的熱傳導系數是鋁的1.69 倍，而比較同樣體積的散熱器，銅質散熱器可以比鋁質散熱器容納更多的熱量，升溫更慢。同樣厚度的散熱器底座，銅不但可以快速引走熱源如CPU Die 的溫度，自己的溫度上升也比鋁的散熱片緩慢。所以在其他條件相同的前提下，純銅散熱器能夠更快地將熱量從熱源中帶走，以上是銅散熱器的優勢。但銅也有明顯的缺點，成本高，加工難，散熱器質量太大都阻礙了全銅散熱片的應用。銅密度是鋁密度的大約3 倍，雖然用銅換熱較強，但若用銅代替鋁作散熱器材料，散熱器的重量就會大大增加，在工藝條件允許的情況下，可以考慮在換熱較為強烈的區域用部分銅代替鋁，以加強換熱效果［4］。銅質和鋁質散熱器基本形狀見圖3。

圖3 銅質和鋁質散熱器圖［3］

因此，無論純銅、純鋁、還是鋁合金散熱器，都有一個致命的缺陷:由于只使用一種材質，雖然基本的散熱能力能夠滿足輕度散熱的需要，但由于無法很好地均衡熱傳導能力和熱容量能力兩個方面的要求，在散熱要求較高的場合便未免有些力不從心了。于是就有了銅鋁結合的散熱器出現。在考慮了銅和鋁這兩種材質各自的缺點后，目前市場部分高端散熱器往往采用銅鋁結合制造工藝，這些散熱片通常都采用銅金屬底座，而散熱鰭片則采用鋁合金，當然，除了銅底，也有散熱片使用銅柱等方法，也是相同的原理。憑借較高的導熱系數，銅制底面可以快速吸收CPU 釋放的熱量;鋁制鰭片可以借助復雜的工藝手段制成最有利于散熱的形狀，并提供較大的儲熱空間并快速釋放，這在各方面找到了的一個均衡點。把銅、鋁結合應用，利用銅的高導熱系數特點，把熱量傳導至鋁材質的鰭片，再通過風扇的對流作用散發至空氣中。既保證其重量不超標，又可量產，也取得了一定的效能提升。所以銅鋁結合散熱器成為目前CPU 散熱器的主流材料。

3 銅鋁結合技術

銅鋁的結合比較困難，由于銅和鋁之間的親和力較差，如果接合處理不好，便會產生較大的介面熱阻(即兩種金屬之間由于不充分接觸而產生的熱阻)。在實際設計和制造中，盡可能降低介面熱阻是生產好品質的銅鋁散熱器的關鍵。目前市面上有著各種各樣的銅鋁結合的CPU 散熱器，采用不同的工藝將銅與鋁結合在一起，常用的有扦焊、螺絲鎖合，熱脹冷縮結合，機械式壓合等方式［5］。

扦焊是采用熔點比母材熔點低的金屬材料作為焊料，在低于母材熔點而高于焊料熔點的溫度下，利用液態焊料潤濕母材，填充接頭間隙，然后冷凝形成牢固接合界面的焊接方法。主要工序有:材料前處理、組裝、加熱焊接、冷卻、后處理等工序。常用的扦焊方式是錫扦焊，鋁表面在空氣中會形成一層非常穩定的氧化層(Al2O3)，使銅鋁焊接難度較高，這是阻礙焊接的最大因素。必須要將其去除或采用化學方法將其去除后并電鍍一層鎳或其它容易焊接的金屬，這樣銅鋁才能順利焊接在一起。散熱片上的銅底是進行熱的傳導，要求的不僅是機械強度，更重要的是焊接的面積要大(焊著率要高)，才能有效地提升散熱效能，否則不但不會提升散熱效能，反而會使其比全鋁合金的散熱片更加糟糕。目前銅鋁焊接的散熱片主要問題就是焊著率低，只從外觀是不能檢查出焊接質量好壞的。圖4是使用無損掃描探傷儀檢測出的不同品質的焊接界面的情況。

圖4 使用無損掃描探傷儀檢測出的不同品質的焊接界面

圖4 中紅色斑塊部分為焊接不良區，藍色部分為焊接良好區，焊接質量較差。

鎖合工藝是將薄銅片通過螺絲與鋁制底面結合，這樣做的主要目的是增加散熱器的瞬間吸熱能力，延長一部分本身設計成熟的純鋁散熱器的生命周期。經過測試發現:在鋁散熱片底部與銅塊之間使用高性能導熱介質，施加80kgf 的力壓緊后用螺絲將其鎖緊，其散熱效果與銅鋁焊接的效果相當，同樣達到了預計的散熱效能提升幅度。這種方法較焊接簡單，而且品質穩定，制程簡單，投入設備成本較焊接低，不過只是作為改進，所以性能提升不明顯。雖然有散熱膏填充，銅片與鋁底之間的不完全接觸仍然是熱量傳遞的最大障礙。制造的主要工序有:銅片裁切、校平、鉆孔、涂抹導熱介質鉆孔、攻牙、清洗、強力預壓程序、兩段式鎖合作業、定扭力鎖螺絲。貼片工藝的重點在于控制好銅、鋁平面度和粗糙度，以及鎖螺絲的扭力等因素，即可得到一定的效能提升，是一種不錯的銅鋁結合方式。如果使用的導熱介質性能低劣，或是銅塊平整度不良，熱量就不能順利地傳導至鋁的散熱片表面，使散熱效果大打折扣。另外，螺絲的鎖合力和銅材的純度不夠，都是不良的影響因素。

熱脹冷縮結合是在鋁的散熱片底部加工一個直徑ψ=D1 的圓孔，另外做一個直徑ψ=D1+0.1mm的銅柱，利用金屬材料的熱脹冷縮特點，將鋁質散熱片加熱至400℃，其受熱膨脹圓孔直徑擴張至D1+0.2mm 以上。利用專門機器在高溫下將常溫(或冷卻后的)銅柱快速塞入鋁質散熱片之圓孔內，待其冷卻收縮后，銅柱與鋁質散熱片就能緊密結合一體。這也是一種可靠的方法，其銅鋁穩定性很高，由于沒有使用第三方介質，結合緊密度最佳。塞銅工藝可以大幅度降低接觸面間的熱阻，不但保證了銅鋁結合的緊密程度，更充分利用了兩種金屬材料的散熱特性，基本形狀見圖5。

圖5 銅柱鋁質散熱器

插齒工藝大膽改進傳統的銅鋁結合技術。先將銅板刨出細槽，然后插入鋁片，利用60t 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導能力，并且可以生產銅片插鋁座，銅片插銅座等各種工藝產品，來滿足不同的散熱需求。這種技術充分延長了一部分銅鋁結合技術的壽命，其形狀見圖6。

圖6 插齒工藝制造的散熱片

4 銅材在CPU 散熱器中的應用前景

隨著計算機技術和產品的快速發展，系統的處理能力得到了很大的提升。與此同時系統的功耗也幾乎同步增加，特別是CPU、顯卡這些核心配件功率極速上升，普通風冷散熱器已經不能滿足需求［6］。全球兩大CPU 生產廠家是INTEL 和AMD 公司，他們同時也都將各自CPU 的性能放在第一位，不斷地技術突破，最大限度地挖掘CPU 每一份潛能。但是，現有制造工藝制約了CPU 速度的繼續提升，熱量成為高頻CPU 穩定運行難以逾越的鴻溝，散熱效果的好壞直接影響到電腦運行的穩定，甚至成為燒毀CPU 的罪魁禍首。隨著CPU 性能的進一步提高，CPU 散熱問題愈益凸現。散熱器供應商們正從散熱材料、結構、機械設計等方面入手，力求改善CPU 冷卻效果并控制散熱器的噪音。高頻率CPU 由于功率大，對散熱的要求也更為苛刻。Intel corel 四核和新速龍(Athlon XP)處理器的問世要求電腦廠商生產出功能更強大的冷卻器，以應對比原有產品發熱更多的新型CPU。純銅、熱管乃至水冷等高端散熱工藝的進一步成熟，正好迎合了市場對高端散熱產品不斷擴大的需求。隨著工藝的進一步成熟和成本的進一步降低，高端散熱器產品也逐漸走入了大眾的視野，銅材在CPU 散熱器中所起的作用將隨著CPU 主頻的不斷升高而顯得越來越重要。隨著CPU 主頻不斷提高，對散熱器提出了更高的要求，CPU 散熱器甚至成為阻礙高密度集成技術發展，高頻CPU 發展的瓶頸，高純度銅材在CPU 散熱器中將得到更廣泛的應用。

［1］紀騰騰.CPU 散熱器電磁與熱特性分析［D］.西安:西安電子科技大學，2010:1 -5.

［2］唐一峰，唐金沙，劉吉普.銅鋁復合式CPU 風冷散熱器的實驗研究［J］.湖南環境生物職業技術學院學報，2009(2):35 -37.

［3］李艷紅，劉吉普.CPU 熱柱散熱器實驗研究與溫度場數值模擬［J］.現代電子技術，2010 (6).178 -180.

［4］陳占秀，孫春華，周澤平.CPU 散熱器數值模擬分析及其材料選擇的研究［J］.河北工業大學學報，2008，37(1):86 -89.

［5］張建臣，周智剛，楊文彬.新型銅鋁爆炸復合CPU 散熱器的研制［J］.計算機工程與應用，2006(34):92 -94.

［6］趙吉志.液冷散熱技術簡析［J］.科技浪潮，2008(3)，:33-35.