基于爆炸焊接的铜铝复合散热片的优化设计

摘要：基于爆炸焊接工艺的铜铝复合cpu散热片，以炸药为能源，实现了铜和铝间的无介质连接，整合了铜和铝的优点，具有较高的

结合强度，达到了更好的散热效果，有效地解决了cpu散热问题。在热传导理论和散热过程分析的基础上，采用有限元热分析技术对

散热片进行数值模拟． 通过试验测试，研究了散热片底部厚度对散热性能的影响，并对散热片结构进行了优化。合理选择铜层厚度，

减轻了散热片质量． 降低了生产成本，提高了产品的性价比。

关键词：散热片；铜铝复合；爆炸焊接；有限元；优化设计

中图分类号：tg456．6 文献标识码：a

cpu晶体管数量的增加提升了处理器的执行效率。但也导

致了其功耗及发热量的直线上升。若不能有效解决散热问题，

系统的稳定性将受到严重的影响，从而成为阻碍cpu发展的一

大瓶颈。

目前。主要的散热技术有3种方式：风冷散热、热管散热

和水冷散热，其中风冷散热 其安装简便、成本较低、散热效

果明显、适应性强、产品更新换代灵活等特点成为当今散热技

术的主流。

风冷散热器由散热风扇、散热片、扣具、导热介质4部分

构成。由于散热片直接与cpu的表面相接触，其散热能力的大

小直接影响到整体的散热效果，因此，散热片是整个散热系统

的关键部件。

散热片所处的位置要求其必须满足两个基本要求：一是在

短时间内能尽可能多地吸收cpu释放的热量。即瞬间吸热能

力；二是应当具备足够的储热能力， 即较大的热容量。

因此。散热片应选用热导率高的材料。铜的热导率是铝的

近2倍，但热容量较铝的小，而且全铜散热片造价高。自身质

量大。不耐腐蚀。鉴于全铝散热器和全铜散热器自身难以克服

的缺点。随着散热需求的提高。兼顾性能与成本的铜铝复合散

热片应运而生。散热片底部采用纯铜，而鳍片部分采用铝合金

片。通过钎焊、螺丝锁合、热胀冷缩结合、机械式压合等工艺

复合成一体，利用铜的高热导率的特点，铜底把热量快速传导

至铝鳍片，然后由铝鳍片将热量散发出去。既保证了散热片自

身质量不超标，又可控制生产成本，也取得了很大的效能提

升。

但采用上述工艺生产的铜铝复合散热片。普遍存在成本

收稿日期：20__—05—10

基金项目：德州市科技攻关计划项目(030701)

高、工艺复杂、结合强度低等缺点。因此，仅应用在高档微机

中．而未能在普通微机中得到普及应用

本文介绍了一种采用爆炸焊接技术生产铜铝复合散热片的

工艺，在热传导理论和散热过程分析的基础上，探讨了散热片

底部厚度对散热性能的影响。并采用有限元热分析技术和试验

测试的方法对散热片结构进行了优化。

1 cpu散热片的铜铝爆炸复合

爆炸焊接，亦称为爆炸复合，是一种特殊的焊接技术，其

采用炸药为能源．利用爆炸作用推动2个或多个金属体产生高

速碰撞来实现焊接。爆炸复合的最大特点是能将常规焊接方法

无法焊接的2种金属材料牢固地焊接在一起。众所周知，铝与

铜、钛与钢等金属之间的焊接性很差， 常规方法焊接困难。即

使采用一些特殊的工艺将之焊接在一起。其焊接质量也往往难

于保证。而采用爆炸复合则很容易使之迅速而牢固地复合在一

起，形成一种兼有2种金属(合金)性能的复合材料，而且结

合界面处的抗拉强度通常大于母材强度。从而大大扩展了现有

金属(合金)的性能及应用范围。

cpu散热片的铜铝爆炸复合。是应用爆炸焊接技术。采用

可控的爆炸力产生倾角碰撞．在铜片和全铝散热片的交界面喷

出金属射流，清除交界面污垢，进行高压熔合。将一定厚度的

铜片焊接在已成形铝散热片的底部。试验装置如图1所示，复

板为铜片，基板为成形纯铝散热片，炸药为粉状硝铵⋯。图2

为爆炸复合后的铜铝散热片结合界面的金相照片。从图中可看

出，其界面呈现为均匀细小的正弦波形，是一种理想的界面状

态[ 。

爆炸复合技术实现了铜铝间的无介质连接。而且结合强度

高，具有导热性能好、在热处理和机加工等条件下确保复合层

不分离的优点。

36 ·工艺与新技术· 焊接技术 第36卷第5期20__年10月

图1 cpu散热器铜铝

爆炸复合示意图

炸药

铜片

散热片

图2 铜铝爆炸复合cpu

散热器界面金相照片

2 散热片底部厚度对散热能力的影响

散热片与cpu接触，由于存在温差，因此产生了热传导．

而导热量与材料厚度成反比。

但现在的散热片底部厚度一般在4—10 mm之间，经试验得

知，导热量与底部厚度并非是线性关系 ]。这与高热传递时．

散热片的热容量有关。散热片底部的功能是要将热源的热量大

量吸走，如果底部厚度不足，散热片的热容量则不足，传热量

会受到限制，提高了散热片壁面温度，散热片周围空气温度上

升，气流动力黏度因空气温度的上升而增大。导致空气流动受

阻，散热片与空气对流换热量将减小，对流换热热阻加大，热

源的温度就无法降到理想的温度。当电脑关机后，风扇停止运

转．强制对流立即终止。但热源的残余热量传人散热片并没有

立即终止．也要求散热片有足够的热容空间来保证将处理器的

残热带走， 以保护处理器。因此．散热片的底部必须保证有足

够的厚度。

散热片底部太厚或太薄都会引起散热不良[4]，因此，对于铜

铝爆炸复合cpu散热片而言．铜层厚度的选择，不仅影响着散

热器的自身质量和成本．而且决定着最终的散热效果。

3 散热片温度场模拟分析

全铝散热片结构尺寸如图3所示，铝层厚度5 mm，其他尺

寸见表1。分别与不同厚度的铜片进行爆炸复合，采用有限元热

分析技术对爆炸复合后的铜铝散热片进行瞬态模拟分析 。散热

片试验模拟装置如图4所示。散热片固定在绝热电木块上，底部

中心与电木块中的铜块上表面紧密接触。铜块尺寸为10 mmxlo

mm．通过75 w加热电阻均匀加热，用于模拟cpu热源。

周围空气室温20℃ ，空气对流系数为5．5 w／(m ·oc)，风

冷对流系数为30 w／(m ·oc)。

图3 全铝散热片结构示意图

表1 散热片结构尺寸

llmm wlmm himm hlmm slmm tlmm

60 65 30 5 3 1

(a)剖面图 (b)散热片底面

图4 散热片试验模拟装置图

铜层厚度范围为0—8 mm，其他参数恒定。加热15 rain后，

温度场趋于稳定，计算加热铜块与散热片接触面周边4点(图

4b中点1，2，3，4)的温度，计算结果见表2。

表2 铝层厚度5 mm时不同铜层厚度时各测试点温度(℃

铜层厚度／mm 点1 点2 点3 点4

0 52，875 52．748 52，934 52．733

1 50，822 50，793 50．889 50，784

2 49．86 49．813 49．883 49．809

3 49，193 49，182 49．229 49．178

4 48，761 48．766 48．784 48，755

5 48，527 48．6文秘 站:89 48．531 48．685

6 48．396 48．466 48．414 48．466

7 48，289 48．323 48．312 48．322

8 48．238 48，285 48，279 48．281

由表2可知，随着铜层厚度的增加，散热片温度随之降低，

铜层厚度从1 lqlm增加至3 mm时，散热片降温幅度较大；铜层

厚度从3 mm增至5 mmh,~，降温幅度减小；铜层厚度超过5 mm

后．散热片温度变化趋于平缓。

4 散热器热阻测试

热阻是评判散热器散热能力是否满足cpu散热需求的重要

物理量．它代表一定的热量流过散热器时引起散热器温度上升

的程度，散热性能越好的散热器，其热阻越小。散热器整体热

阻的计算公式为：

th= ( 一 ) dp， (1)

其中， 为cpu表面最高温度，oc； 为环境温度(距风扇人

风口7．62 mm (0_3 in)处的空气温度)，7’dp为热设计功耗。

在cpu设计中，处理器的 p决定一款处理器的发热量的数

值．tdp是cpu总功耗中的一部分，总功耗等于电压乘以通过

核心的电流。

采用爆炸焊接技术生产铜层厚度分别为2，3，5 mm，铝

层厚度均为5 i／lm的3款铜铝复合散热器．为了检测不同厚度的

铜铝爆炸复合散热器的散热性能，设计如下测试散热器热阻的

试验方案：环境温度控制在20℃ ，利用带有温度探头的万用

表直接探测cpu满负荷工作表面温度，获得cpuje载：为模拟cpu最大负载情况(即达到最大发热状

况)．采取同时运行3种加速软件的方法对cpuje载。

(1)superpi 838万位计算，时间约为l1 min；

(2)运行cpu burn in，设置测试时间15 min；

(3)运行hot cpu tester pro，设置线程数为1o。

热阻测试结果见表3。

袭3 热阻测试试验结粜

测试对象 铜层厚度 热阻r

／mm ／~c ／~c ，(℃ ·w )

全铝散热器 0 20 50 7 0．472

铜铝爆炸复合散热器 2 20 47．4 0i422

铜铝爆炸复合散热器 3 20 46．7 04ll

铜铝爆炸复合散热器 5 20 46．1 0．402

由表2和表3可见：① 试验结果与温度场模拟分析的结果基

本吻合；② 对于铜铝爆炸复合散热器而言，在铝层厚度不变的

情况下，铜层厚度的增加能有效降低散热器的热阻；③ 铜层厚

度为3 mm~f，铜铝爆炸复合散热器具有更高的性价比。

5 结论

采用爆炸焊接工艺生产的铜铝复合散热片。兼具铜与铝的

优点，工艺简单，适合大规模生产，生产成本远低于采用其它

工艺生产的铜铝复合散热片。通过温度场模拟分析和试验测

试，对铜铝复合散热片进行结构优化，选择合适的铜层厚度。

降低了成本，减轻了自身质量，提高了性价比，使其在普通微

机中普及应用成为可能，以产生可观的经济效益和社会效益。

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