冷卻性能優(yōu)異的銅散熱器

由于散熱器的性能取決于物理結構與金屬成分，所以，采用高導電性的材料，熱管理裝置的制造者們就能夠制成高效率的散熱器。由于具有優(yōu)異的冷卻能力，銅散熱器在解決冷卻問題時，應用很廣泛。
金屬銅所具有的高導電性使工程師能更有效的對器件進行冷卻，而銅散熱器有較低的單位體積熱阻值，因此適用于發(fā)熱量高的器件。同時，銅散熱器可有效地讓發(fā)熱量沿其基座均勻分布，從而為發(fā)熱點集中的器件提供優(yōu)異的冷卻性能。

熱學特性
如今，先進的IC都存在嚴重的發(fā)熱現(xiàn)象，這迫使工程師去尋找熱阻更小的散熱器——由于分配給散熱裝置的空間狹小，故這一任務是非常棘手的。由于銅材料的高度導熱性，銅材料制成的散熱器在熱阻方面大大優(yōu)于鋁散熱器。
Cool Innovations公司對相同結構的、分別由無氧銅和純鋁(導熱性極好的鋁合金)制成的針鰭狀散熱器進行了熱阻測試，結果表明，銅散熱器的熱阻平均要低20%。同時，研究者還對無氧銅和AL380(一種常用的鑄造合金)制成的散熱器進行了類似的對比測試，結果表明，銅器件的熱阻要低35%。
因此，通過以銅散熱器替換傳統(tǒng)的鋁散熱器，設計者能把性能提高20%~35%。更為重要的是，不會占用額外的面積和/或引入新的氣流源。

熱量的散布
近來半導體技術的革新也帶來了副作用，這就是發(fā)熱量的陡然上升。發(fā)熱密度可以定義為每單位面積的發(fā)熱水平。發(fā)熱密度越高，散發(fā)出來的熱量沿散熱器基座散布的速度就必須更快，這樣才能保證正常的冷卻。
在為發(fā)熱源集中(密集)的產品選擇冷卻裝置時，設計者不但需要確認散熱器的熱阻足夠低，而且還要保證熱量能夠以較快的速度沿著散熱器基座散布開來。如果熱量散布的速率不夠快的話，則遠離處理器的那部分散熱器將起不到散熱的作用。此外，芯片中的半導體結也會成為發(fā)熱點，這些發(fā)熱點將對芯片的功能造成損傷，而散熱器所標明的熱阻在實際應用時并不能得到保證。
由于銅有很高的傳導率，故采用銅基座的散熱器有著優(yōu)良的熱量均布能力，事實證明：無氧銅的導電性(非熱阻)比純鋁高出100％，而比AL380高300％。因此，在很多情況下，設計者使用全銅的散熱器或者鋁/銅混合的散熱器，對集中的發(fā)熱源進行冷卻。

銅質及銅/鋁混合散熱器
銅在散熱器中的使用并不限于全銅器件，它也能與鋁一起應用，構成銅/鋁混合型的散熱器。而混合型散熱器主要有兩種形式：銅基座帶有鋁針(柱)，或者是鋁散熱片基座下埋置銅層。
雖然混合型產品在熱阻方面沒有突出的優(yōu)勢，但它們也可以象全銅散熱器那樣讓熱量沿基座均布?；旌闲蜕崞鲗嵸|上是將鋁質散熱器和銅質熱均布器結合在一起構成單個器件?；旌仙崞鞯牧硗庖粋€優(yōu)勢是遠輕于全銅的散熱器。當需要采用全銅基座、而又要避免過重的全銅散熱器時，就可以用混合型散熱器來實現(xiàn)良好的冷卻。
下面給出了Cool Innovations對兩種結構相同的針鰭式散熱器進行的熱學分析。第一種散熱器由無氧銅材料制作，而第二種用純鋁材料制作。這一分析將著重指出純銅散熱器在總熱阻方面的優(yōu)勢及其對熱量的均布能力。
兩種散熱器的占用面積和總高度分別為1.5平方英寸和0.8英寸，有121根針狀的鰭柱，直徑為0.07英寸。在測試時，通過一個面積為1.25平方英寸、發(fā)熱功率為20W的熱源來復現(xiàn)一個平均尺寸的熱源。兩種散熱器流過的氣流為600lfm，所測得的銅質散熱器和鋁質散熱器的熱阻分別為0.75℃/W 和0.91℃/W 。從中可以看出，銅質器件在熱阻方面有21％的改善。
為了對銅散熱器的均布能力進行分析，通過一個更小的熱源進行了類似的測試。這個熱源模擬出一個尺寸小而集中的發(fā)熱源，其面積縮減為0.5平方英寸，而發(fā)熱量仍為20W，而前面的測試中選用的其他參數(shù)也都不作改動。
所測得的銅質散熱器和鋁質散熱器的熱阻分別為0.79℃/W 和1.05℃/W ，兩種器件的熱阻都較熱源面積大的情形有所增加，銅質散熱器的熱阻值增加了5％，而鋁質散熱器熱阻的增加幅度為15％。這表明，銅散熱器讓熱量沿其基座均布的能力極佳(請注意第二次測試中，總的熱阻差別達到了33％)。

結語
隨著發(fā)熱程度和密度的不斷增加。銅質和銅/鋁混合型散熱器在表面安裝方面的使用將獲得顯著增長。同時，散熱器的選擇過程也變得更加復雜，除了選擇具有特定熱阻值的散熱器外，設計工程師還必須明確所選用的散熱器是否有令人滿意的熱均布能力?！?