常见散热器的制造工艺

  1. 切削:切削工艺的具体种类很多,从无润滑切削到润滑切削,从高速切削到激光切割,从车、钻到铣、磨,在散热片的成形过程中,为了获得一些较特殊、精细的形状,都需要使用切削工艺。具体用途主要有板材(吸热底、鳍片等)成形、散热片开槽、底面修整、特殊雕刻等。优势:根据不同方式、刀具,可适用于各种用途。劣势:设备,主要是刀具磨损快,多数需要人工参与或自动化控制,成本高。
  2. 铝挤压:铝挤压技术简单的说就是将铝锭高温加热至约 520~540℃,在高压下让铝液流经具有沟槽的挤型模具,作出散热片初胚,然再对散热片初胚进行裁剪、剖沟等处理后就做成了我们常见到的散热片。铝挤压技术较易实现,且设备成本相对较低,也使其在前些年的低端市场得到广泛的应用。一般常用的铝挤型材料为 Al 6063,其具有良好热传导率(约 160~180 W/m.K)与加工性。不过由于受到本身材质的限制散热鳍片的厚度和长度之比不能超过 1: 18,所以在有限的空间内很难提高散热面积,故铝挤散热片散热效果比较差,。优势:投资少、技术门槛低、开发周期短,易于投产;模具费用、生产成本低,产量大;适用范围广,既可制造单独散热片,也可制造结合型散热片的鳍片部分。劣势:鳍片形状相对简单,无法获得很大(大于 20)的瘦长比。典型产品:几乎所有一体成形铝合金片状鳍片散热片。
  3. 精密切削(Skiving):一种独到的金属成形工艺,是最有望大范围应用的铜质散热片一体成形工艺。加工方法为:将一整块金属型材根据需要。利用精确控制的特殊刨床切割出指定厚度的薄片,再向上弯折为直立状态,成为散热鳍片。优势:精密切削工艺最大的优势在于吸热底与鳍片一体成形,连接面积(连接比例)大,不存在介面阻抗,鳍片较厚,能够更有效利用散热表面积;此外, 精密切削技术可以在单位体积内切割出更大的散热面积(增加 50%以上)。精密切削技术切割出的散热片表面会形成粗颗粒,这种粗颗粒可以使散热片和空气的接触面更大,提升散热效率。精密切割的最大优势是散热器属于整体切割成型,散热鳍片和散热底座结合为一体,精密切削技术制造的散热片不存在介面热阻的问题,热传导效率非常高。劣势:受到原材料等的影响,良品率低;为了保证一定的应力,切割过程中无法将鳍片切得很薄、很长,即瘦长比不足;提供更大表面积的同时,片间距离短,过风空间较小,风阻较大。此外,相对铝挤压等适于大规模生产的成型工艺,精密切削的设备、人工成本高,大规模生产资金投入过大;翅片可能产生歪曲,表面粗糙,外观不好。
  4. 金属粉末喷射成形:金属粉末喷射成形散热片主要采用高熔点、高热传导的材料(如铜),其加工方式为:金属粉末高速喷射,直接做成散热片初胚,再利用高温烧结,制成具有相当强度与密度的成品。主要应用于具有较高发热量又明显受空间限制的特殊需求电子产品上,制造成本与价格均极高。优势:金属粉末烧结一体成型,热传导率高;可加工具有复杂形状的散热片,设计者受限制较少。劣势:原料、设备、模具成本高,工艺复杂,良品率较低,不易量产。目前市场上未见实际产品。
  5. 铝压铸:一种广泛应用的单体铝合金制品加工工艺。制造过程为:将铝合金原锭熔解成液态后,充填入模型内,利用压铸机一次性压铸成型,再经过冷却与后续处理,制成单体散热片。压铸工艺通常用来加工一些形状非常复杂的元件,使用在散热片加工中虽有些大材小用的意味,但的确可制造出一些具有特殊结构设计的产品。例如,可配合风扇及气流方向作出具有导流效果的散热片,或做出薄且密的鳍片来增加散热面积等。通常压铸型加工采用的铝合金为ADC 12,具有良好的压铸成型特性,适用于制造细薄或复杂的铸件,但因热传导率较差,现在国内多以 Al 1070 铝料来做为压铸材料。它的热传导率高,具有良好的散热效果,但压铸成形特性方面较 ADC 12 存在着一些不足。与挤压工艺相同,也可用于铜质散热片加工,也因同样的原因实际上并未大范围采用。优势:一体成形,无介面阻抗;可制造细薄、密集或结构复杂的鳍片,易于一些特殊设计的实现。 劣势:材料的机械性能与导热性能不能两全;压铸时表面流纹及氧化渣过多,会降低热传导效果;冷却时内部微缩孔偏高,实质热传导率降低;模具寿命较短,设备相对复杂,产量较小,成本稍高。
  6. 铝压铸-改进型:在铝压铸工艺基础之上进行改进而来的接合型工艺。铝压铸-改进型工艺得制造过程为:先将冲压成形的鳍片插入模具内线切割而成的间隙中,再将铝液快速充填进去,令压铸成形的吸热底与插入的鳍片结合。优势:介面阻抗较其它接合型工艺低;鳍片可采用具有更高热传导率的材料,且预先加工的鳍片可具有更大的瘦长比。劣势:模具形状复杂,鳍片插入不易,影响其量产性;需要在模具中预先开槽,无法采用很高的鳍片密度。与铝压铸型相同,通常桌面散热器市场中非常少见,普遍用于笔记本散热解决方案中。
  7. 冲压与剪切:冲压与剪切都是大家较为熟悉的工艺,我们的许多日常用品与机箱等电脑配件均出于此。冲压所用设备为冲床,利用安装在冲锤底端的模具对板材进行冲切,可用于各种厚度片状金属材料的加工,例如风道式散热片所采用的细薄鳍片、部分嵌铜散热器所采用的铜板、带有特定缺口与孔位的导流罩、保护罩等的初型均为冲压而成。剪切所用设备为剪切机,结构类似于书刊装订中使用的铡刀,可用于具有一定厚度的片状或条状金属形材之切割,从2mm的薄鳍片到 1 cm 的吸热底,甚至铝挤压而成的形材均需采用剪切进行初加工或后处理。优势:可根据需要加工出各种特殊形状,适用范围较广,可大批量自动化生产。劣势:切口并不平整,可能需要后续处理。各种后续结合型散热片中普遍采用。冲压与剪切更多地用于生产薄金属片和散热器的前后处理工序。
  8. 折叶(鳍片):折叶是细薄鳍片加工过程中通常采用的一道工序。折叶用于将 Al 1050 铝合金冲压而成的单体薄鳍片组合成密集平行鳍片的加工工艺,具体方法为:在成形时,鳍片的边缘保留有一小段特别设计的凸出部分,将鳍片固定在定制的模具中,将凸出部分弯折并互相锁合,成为排列整齐的平行鳍片。采用折叶工艺的另外一个目的则是补偿鳍片与吸热底的后续连接(通常为钎焊结合)所产生的介面阻抗。细薄的平行片状鳍片与吸热底的连接面积较小,同时考虑到连接面的实际接着率与介面阻抗,吸热底与鳍片间的热量传导可能成为散热片整个导热路径中的瓶颈。因此,折叶工艺会在鳍片将与吸热底连接的一侧留出一道折边,弯折锁扣后组合为一个相对平整的表面,即每片鳍片都增加了一个“较宽”的底面,侧视成为“L”形。如此一来,热量由吸热底通过连接面传导到单个鳍片的“底面”上,再由内部传导到实际散失热量的直立部分。优势:机械锁合结构简单,工序少;可补偿鳍片与吸热底后续连接产生的介面阻抗。劣势:为了保证结合的稳固与整齐,对鳍片单体冲压模具设计要求较高。
  9. 焊接:焊接作为一种非常传统的金属结合方式,几乎随处可见,在散热片加工中也被普遍采用。目前散热片加工中所采用仍然主要是钎焊,即采用熔点较母材低的焊料填充母材间的空隙,通过某种方式加热焊接部位至一定温度,令焊料熔化,填充母材间的空隙,冷却后即可结合为一体。从接触式传热到电磁感应加热,从火焰喷枪到激光器,从电弧到热风,焊接技术的迅速发展推动着新工艺的不断出现,令其成为了一门相当有深度与广度的专业学科,所涉及的信息绝非三言两语就可说明。散热片加工中最常用的焊接方式为回流焊- reflow soldering,又称再流焊。根据它的后一个名字可能更容易理解焊接过程——通过重新熔化(即再流)预置于母材之间的膏状软钎焊料,实现母材间的软钎焊。它主要的工艺特征是:用焊剂将要焊接的金属表面净化(去除氧化物),使之对焊料具有良好的润湿性;供给熔融焊料润湿金属表面;在焊料和焊接金属间形成金属间化合物;可以实现微焊接。回流焊的大致工序为:SMT 在金属板(吸热底)上自动印刷锡膏->吸热底与鳍片定位->进入回流焊机->经过精确控制温度曲线的多道加温工序->熔化焊料,润饰母材->经过精确控制温度曲线的冷却工序->拆卸成品->超声波清洗。对于一些由于某种限制(例如热管的温度限制)不适合采用回流焊工艺,又需要焊接结合的散热片则可采用电阻钎焊。即利用母材接触面和焊料相对较高的电阻,短时间通过大电流,令接触面与焊料集中产生大量热量,熔化焊料,达到焊接的目的散热器采用焊接方式结合存在的最大问题就是焊着率。融化后的焊料作为连接两者的介质,是热量传导过程中必须通过的一道屏障,自然希望它的热传导阻抗(即介面阻抗)越小越好,在不更换材质的情况下即焊着率越高越好。优势:吸热底与鳍片的组合多种多样;相关生产设备已经非常成熟,易于大规模生产。劣势:必然存在介面阻抗;一旦结合度不高,严重影响散热片性能;控制焊着率难度较高,检验不易,容易出现不良品;加工成本较高。
  10. 锻造:锻造也是传统的金属加工工艺之一,多用于大行金属件的制造或初坯成形。锻造工艺制造散热片算是 Alpha的独门绝技,其加工过程为:将铝材加热加压至降伏点(一定温度下,金属材料在所承受压力超过一定数值时,随着压力的继续增大,应力不增反降,金属表现得较为柔软,易于加工,但又并非液态,此温度下的临界压力即降伏点)后,利用高压使其充填入锻造模具而成形。在锻造成形得基础之上,还可以采用铜铝结合设计。在锻造成形后期,即鳍片完全充满模具后,将表面经过预处理的铜块置于模具上层,通过锻造塞入尚处于降伏状态的铝材中,几乎不存在空隙。优势:全铝散热片鳍片与吸热底一体成形,无介面阻抗;铜铝结合紧密,几乎不存在空隙,介面阻抗小;鳍片复杂度虽不及铝压铸,但就散热片需求而言已相当令人满意;瘦长比高,接近压铸水平,可达 50 以上;适于加工柱状鳍片。劣势:冷却时可能出现颈缩现象,使鳍片存在厚薄、高度不均的情况;所需锻造压力极高(500 吨以上) ,设备昂贵;模具制造成本高,磨损快,加工成本很高;加工条件苛刻,时间长,不易量产。
  11. 压固+螺丝锁合:螺丝绝对可以算得上人类科学历程中一项里程碑式的发明,而这种工艺就是此项伟大发明的实际利用。目前市场上存在两类采用压固+螺丝锁合结合工艺的产品,但其原理可归为一类。此工艺的加工过程为:将经过表面预处理的鳍片或鳍片与吸热底定位,利用较大的压力令它们紧密的结合在一起,再以螺丝贯穿它们,于另一测用螺母锁紧,令其维持此种紧密结合的状态。为了弥补铜底与铝鳍片间的结合空隙,还特别加入了导热膏进行填充。目前许多热管散热器, 热管与吸热底采用焊接结合, 而其中一部分会在热管上方增加固定块 (也可具有一定散热能力),固定块的固定方式就有不少采用螺丝锁合。优势:机械方式结合,工艺简单、成本低,效果稳定,良品率高;横向结合时,介面阻抗影响细微,鳍片与吸热底一体成形。劣势:纵向结合时,介面阻抗大,结合面积有限;横向结合时,占用空间大,不易安装。
  12. 插齿:纯粹的机械手段,强压而成的结合。加工过程为:将底板切削出平行的细小凹槽,并在槽间冲压出密集的小坑,为凹槽中插入鳍片后的形变预留一定空间,再利用 60 吨以上的压力将已经成形的鳍片插入凹槽之中,插入深度可达 2mm 左右,把鳍片固定在底板之中。插齿采用插尺工艺结合的吸热底与鳍片间没有其它介质,完全靠金属的应力结合,经过预处理的接触面由于巨大的压力而可获得原子级的结合,保证低阻抗的同时,还获得了较可靠的机械性能。优势:介面阻抗小,鳍片与吸热底材质可自由组合,工序较少,产品质量相对稳定。劣势:制造难度大,良品率不是很高,相对成本稍高。
  13. 插指:与插尺工艺类似的机械结合手段。制造过程也与插尺工艺类似,利用巨大的压力将鳍片插入底板上预留的位置,不同之处在于鳍片的形状由片状改为了柱状。插指将插指工艺加以改变,Swiftech 创造出了自己的专利技术——螺纹插指。采用螺纹插指工艺的鳍片在圆柱状的基础之上增加了螺纹结构,加工过程中,鳍片不是直线的插入底板中,而是利用螺纹结构旋入。此种插入方式不需要普通插指那么大的压力,降低了对设备与材料的要求,而且鳍片与底面间可获得更大的连接面积。优势:鳍片与吸热底材质可自由组合,介面阻抗小,工序较少,产品质量相对稳定;采用螺旋插指可降低加工难度。劣势:制造难度大,良品率不是很高,相对成本稍高。
  14. 热缩嵌套:利用热胀冷缩原理的机械结合方式,主要用于铝挤压鳍片嵌铜。如果鳍片,包括一部分吸热底都可采用成熟、廉价的铝挤压工艺,又希望与发热设备结合部位具有较大的热容量,嵌铜工艺就是最好的选择,目前主要采用的则是热缩嵌套技术。加工过程大致为:在铝挤压成形的散热片底部保留出一部分空间,将之加热到一定温度,令其保留空间因热膨胀而扩大,趁机嵌入尺寸、形状合适的铜棒或铜板;令铝质鳍片迅速冷却,体积缩小后套紧嵌入的铜件。基于此种原理,目前常用的嵌铜方式有两种: 一种是将铜片嵌入铝制底板中,常见于用铝挤压工艺制造的散热器中。由于铝制散热器底部的厚度有限,嵌入铜片的体积也受到限制。增加铜片的主要目的是加强散热器的瞬间吸热能力,而且与铝制散热器的接触也很有限,所以大多数情况下,这种铜铝散热器比铝制散热器的效果好不了多少,在接触不良的情况下,甚至为妨碍散热。还有一种是将铜柱嵌入鳍片呈放射状的铝制散热器中。铜柱的体积较大,与散热器的接触较为充分。采用铜柱后,散热器的热容量和瞬间吸热能力都能增长。塞铜工艺在制造中一般通过如下方式实现: 机械式压合方式是将一块直径尺寸大于铝孔径的铜块, 通过机械的方式,将其压合在一起,因为铝有延展性,所以铜可以在常温下与铝质散热片结合,这种方式的结合的效果也是比较可观,但有一个致命的缺点就是铜在被挤压进入铝孔的过程中,铝孔内表面容易被铜刮伤,严重影响热的传导。这要通过合理搭配过盈量以及优化设计铜块的形状来避免此类问题的产生。 b. 热胀冷缩结合在铝的散热片底部加工一个直径ψ=D1 的圆孔,另外做一个直径 ψ=D1+0.1MM 的铜柱,利用金属材料的热胀冷缩特点,将铝质散热片加热至 400℃,其受热膨胀圆孔直径扩张至 D1+0.2MM 以上。利用专门机器在高温下将常温(或冷却后的)铜柱快速塞入铝质散热片之圆孔内,待其冷却收缩后,铜柱与铝质散热片就能紧密结合一体。这也是一种可靠的方法,其铜铝稳定性很高,由于没有使用第三方介质,结合紧密度最佳。塞铜工艺可以大幅度降低接触面间的热阻,不但保证了铜铝结合的紧密程度,更充分利用了两种金属材料的散热特性。要注意铜柱和圆孔的直径尺寸及表面粗糙度的品质控制,这些会对其散热效果有一定的影响。优势:兼具铝质鳍片的低成本、低密度、易加工特性与铜材的吸热、导热能力;典型铝挤压鳍片嵌入铜板型,铜底尺寸、形状可根据不同需求进行调节,鳍片、扣具、风扇等的设计可沿袭经典产品,无需重新设计;放射状铝挤压鳍片嵌入铜柱型,有效利用铜柱导热能力,增强效果,接触面无其它介质,良品介面阻抗小。劣势:对鳍片、嵌入铜材尺寸、形状要求严格,否则严重影响性能;典型铝挤压鳍片嵌入铜板型,需以导热膏填充,介面阻抗不可忽视;放射状铝挤压鳍片嵌入铜柱型,嵌入件尺寸大,对规格要求更高;
  15. 机械压合: “大号”插指,机械手段的“塞”铜工艺。机械式压合工艺主要用于放射状铝挤压鳍片的塞铜加工,主要过程为:将一块尺寸略大于鳍片铝孔的铜块,依靠机械的压力,将其塞入铝孔内,依靠金属的应力压合在一起。优势:可以在常温下结合,设备简单,成本低;结合面无其它介质,良品介面阻抗低。劣势:铜在被挤入铝孔的过程中容易刮伤铝孔内表面,严重影响热传导能力,对铜块的形状设计与优化要求较高;良品率不高

相关新闻