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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)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(shè)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(shù)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(chǎn)品選擇冷卻裝置時，設(shè)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(jié)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(shè)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(zhì)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(gòu)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(chǎn)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|(zhì)上是將鋁質(zhì)散熱器和銅質(zhì)熱均布器結(jié)合在一起構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhì)散熱器和鋁質(zhì)散熱器的熱阻分別為0.75℃/W 和0.91℃/W 。從中可以看出，銅質(zhì)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(zhì)散熱器和鋁質(zhì)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(zhì)散熱器的熱阻值增加了5％，而鋁質(zhì)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(jié)語
隨著發(fā)熱程度和密度的不斷增加。銅質(zhì)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(shè)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。■