基于新型泡沫金屬材料的散熱器研究

張伊卓++邵悅婷++羅強(qiáng)

摘 要：目前市面上最常見(jiàn)的散熱器模組是采用銅和鋁合金，而最普遍的散熱方式通過(guò)熱傳導(dǎo)方式將熱量傳輸?shù)缴崮＝M，再進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流換熱從而達(dá)到散熱目的。為了提高散熱效率，多以提高散熱接觸面積來(lái)實(shí)現(xiàn)，如通過(guò)鋁擠壓技術(shù)來(lái)提高散熱器底座的厚度和PIN-FIN比。我們研究采用新型的泡沫金屬材料去替換原有的散熱器材料，在大幅度的降低散熱器的重量的同時(shí)，提升散熱性能。

關(guān)鍵詞：散熱器；泡沫金屬；泡沫銅

中圖分類(lèi)號(hào)：TB657 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）03-0065-01

1 研究背景

目前微電子行業(yè)部分設(shè)備工作時(shí)所產(chǎn)生的熱量如果不能及時(shí)散熱，可能影響設(shè)備本身的工作效率，甚至損壞設(shè)備。以現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的集成電路為例，高溫不但會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)，使用壽命縮短，甚至有可能使某些部件燒毀，傳熱模型如下：

該cpu傳熱模型的總傳熱熱阻R可以用公式來(lái)表示：

根據(jù)公式（2），熱流密度φ一定的條件下，熱阻越大的地方就是溫差越大的位置。對(duì)于cpu散熱翅片，溫差主要發(fā)生在翅片與空氣之間（即ΔT5）。這表明散熱阻力主要在于空氣側(cè)的R5，而非翅片和鋁基板內(nèi)部。所以，有效降低空氣與翅片之間的傳熱熱阻是強(qiáng)化cpu模塊散熱的根本途徑。R5可以用公式（3）來(lái)計(jì)算。

傳統(tǒng)形式的換熱器的換熱面積受制于肋片或翅片的型式。降低翅片厚度、增加其長(zhǎng)度和數(shù)量是常用強(qiáng)化換熱方法。這種方式不僅受到換熱器重量和加工方式的的制約，對(duì)于cpu散熱來(lái)說(shuō)，受限于計(jì)算機(jī)體積與重量控制。為此，本項(xiàng)目以超常規(guī)地增加換熱面積為出發(fā)點(diǎn)，建議研發(fā)一種基于多孔介質(zhì)的高效輕型散熱器。

2 研究方法

如圖1所示，本實(shí)施例通過(guò)利用泡沫銅散熱器2具有雜亂無(wú)章的多孔超大金屬骨架來(lái)提升換熱面積。

泡沫銅散熱器2具體可以根據(jù)需要采用孔隙率為95%～99%、平均孔徑為0.35～1mm的泡沫銅。本實(shí)施例中，泡沫銅散熱器2采用的泡沫銅具體為95%，平均孔徑為0.5mm。需要說(shuō)明的是，泡沫銅是一種在銅基體中均勻分布著大量連通或不連通孔洞的新型多功能材料，目前已經(jīng)是市場(chǎng)上能夠購(gòu)買(mǎi)得到成熟商業(yè)產(chǎn)品，其用途一般為用于制備電池負(fù)極（載體）材料和電磁屏蔽材料等。

如圖1所示，本實(shí)施例中泡沫銅散熱器2與鋁基板1之間設(shè)有導(dǎo)熱介質(zhì)層3。本實(shí)施例通過(guò)在鋁基板1的背面涂覆導(dǎo)熱介質(zhì)層3，能夠利用導(dǎo)熱介質(zhì)層3優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，將cpu單元工作時(shí)產(chǎn)生的熱量傳遞給泡沫銅散熱器2。本實(shí)施例中，導(dǎo)熱介質(zhì)層3具體為導(dǎo)熱硅膠層，此外也可以采用其他形式的導(dǎo)熱介質(zhì)。

本實(shí)施例的CPU工作模塊的工作過(guò)程如下：CPU模塊單元通電源工作的同時(shí)會(huì)發(fā)熱，熱量沿著鋁基板1背面的導(dǎo)熱介質(zhì)層3被傳導(dǎo)給泡沫銅散熱器2，由于在工作時(shí)泡沫銅散熱器2空腔內(nèi)部的空氣受熱上升從頂部的表面排出并形成低壓，使得泡沫銅散熱器2前后左右四個(gè)側(cè)面吸入常溫空氣，補(bǔ)充泡沫銅散熱器2空腔內(nèi)的低壓，從而形成持續(xù)的空氣循環(huán)流動(dòng)將CPU模塊單元產(chǎn)生的熱量帶走，從而降低整個(gè)CPU工作模塊的溫度，一般可保持CPU工作模塊的溫度保持在50攝氏度左右。由于CPU工作模塊的溫度被降低，使得CPU模塊單元能夠保持正常工作

3 研究結(jié)果

CPU通過(guò)改進(jìn)新型泡沫銅散熱器降溫情況明顯，采用較高空隙率的多孔介質(zhì)替代原有金屬散熱器預(yù)期可減少50%以上的金屬使用量，即散熱器的重量上也將減少50%。考慮散熱器的制備工藝和量產(chǎn)條件下，散熱器的總體成本粗略估計(jì)可控制為原有散熱器成本的80%。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著過(guò)多高精密儀器的出現(xiàn)，工作所產(chǎn)生的高溫往往會(huì)影響其設(shè)備的工作效率，甚至損壞設(shè)備。但是由于工作環(huán)境的限制，我們不能單一的增加散熱模塊的體積來(lái)達(dá)到散熱目的。所以開(kāi)發(fā)以泡沫金屬材料作為新型的散熱器能夠很好的解決這一問(wèn)題。在部分行業(yè)如LED燈行業(yè)，提高散熱效率，降低散熱器體積和成本，不僅僅能夠達(dá)到節(jié)約成本的目的，在降低工作溫度 后更能達(dá)到更高的工作效率，從而達(dá)到節(jié)能目的。

參考文獻(xiàn)

[1]莫冬傳，呂樹(shù)申，金積德.高熱流密度均溫板的傳熱特性實(shí)驗(yàn)研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2008（02）.