散热器基本介绍

随着电子技术的发展，电子元器件的效率相对提高，同时发热量也越来越大。

为了维持其正常的工作状态，高效的散热是相当重要的。散热器可以散发电器元件运作时产生的热量，提高其工作效率。

散热器多采用铝合金、黄铜或青铜制成板材、片状或多片状。如计算机中的CPU中央处理器、电视机中的功率管、行管、功放中的功放管等均要用到散热器。

热传递类型：

1、自然对流：不依赖泵或风扇等外力，由流体内部温度场不均匀而引起的流动。

2、强制对流：液体或气体在外力作用下发生的对流。

（带风扇的散热器）

3. 液体冷却：使用泵使热管内的液体循环，并散发热量。

(液冷板)

散热器的历史

众所周知，电子设备的工作温度决定了其使用寿命和稳定性。为了使PC的工作温度保持在合理的范围内，必须进行散热。随着PC计算能力的增强，功耗和散热问题越来越成为无法回避的问题。

PC中主要的发热源包括CPU、主板、显卡以及硬盘等其他部件，它们工作时所消耗的电能有相当一部分会转化成热量，尤其是目前的高端显卡，功耗动辄就能达到200W，其内部元器件的发热量更是不容小觑，为了保证其稳定运行，更需要有效的散热。

第一代-没有散热概念的时代

1995年11月，Voodoo显卡的诞生将我们的视野带入了3D世界，从此PC拥有了与街机几乎等同水平的3D处理能力，开创了3D处理技术真正的时代。此后显卡芯片的发展更是一发不可收拾，核心工作频率从100MHz提升到900MHz，纹理填充率从每秒1亿次飙升到每秒420亿次（GTX480），面对如此大的性能变化，发热量也是非常大的。

风冷、热管、半导体制冷芯片等散热设备也应用在显卡上，今天就来介绍一下主流显卡散热设备的发展及趋势。

Voodoo显卡刚推出的时候，没有任何散热设施，核心上的参数就暴露在我们面前，相比现在的主流显卡，当时根本没有GPU的说法，显卡上主核心芯片的处理能力甚至比现在的网卡还要弱，所以发热量几乎为零，几乎不需要散热。

第二代-散热片的应用

1997年8月，NVIDIA再次进军3D图形芯片市场，发布了NV3，也就是Riva 128图形芯片。Riva 128是128bit的2D、3D加速图形核心，核心频率60MHz。核心的发热逐渐成为难题，散热器的应用正式进入显卡领域。

第三代--风冷散热时代的到来

tnt2的发布犹如一颗重磅子弹射入3dfx心脏，核心频率150MHz，支持当时几乎所有的3D加速特性，包括32-bit渲染、24 bit z-buffer、各向异性过滤、全景抗锯齿、硬件凸凹贴图等。性能的提升意味着发热的增加，但技术上并没有太大的进步，依然沿用0.25微米的散热片，被动散热方式已经不能满足现在的需求，显卡开始采用主动散热方式。

散热系统采用TwinTurbo-II（第二代全覆盖双涡轮散热风扇），散热片完全覆盖整个显卡，开机时通过两个风扇单向进出，可以有效快速带走芯片、显存的热量，而且两个滚珠风扇可以有效降低噪音，金属散热网让使用寿命更长。

虽然高转速的风扇是解决散热问题的最好办法，但是有些朋友在玩3D游戏的时候还是无法忍受风扇的噪音，好在热管技术的应用正好解决了这个问题。

它一般由核心吸热块、背部吸热块、两个大面积散热片及一根热管组成。热管作为一种被动导热装置，通过内部工作流体的相态变化，将热量从吸热段快速传导至放热段，再依靠内部毛细结构回到吸热段，如此循环往复，无功耗，无噪音。

而且导热能力强，在有限的空间内实现了热量的快速传递，从而增加了散热面积，是大幅提升被动散热效果的有效手段。不过这种散热方式还是有弊端的，因为散热能力不够强，只能用在中端卡上，如果要用在高端上，就必须加装风扇。

散热计算原理

一般的散热方式是将设备安装在散热器上，散热器将热量散发到空气中，最终通过自然对流的方式将热量散发出去。

一般来说，从散热器到空气的热流（P）可以用以下公式表示：

在公式 P=HA η △ T

H为散热器总传热导率（W/cm2度），

A 是散热器的表面面积（cm2），

η 对于散热器效率，

△T为散热器最高温度与环境温度之差（度）。

上式中，h由辐射和对流（自然对流、强制对流和材料）决定

η主要由所用散热片的材料大小及厚度决定，一般来说，导热系数较高的材料，如铝（2.12w/cm²度）、铜（3.85w/cm²度）导热系数就比较差。

η由散热器的组件决定。（散热器结构的影响）

总之，散热器的表面积越大，散热器与环境的温差越大，散热器的散热效果就越好。

耐热性

范围：

Rt-----总内阻，度/W

Rtj---- 半导体器件内部热阻，度/W

Rtc----- 半导体器件与散热器之间的界面热阻，度/W

Rtf----- 散热器热阻，度/W

Tj----- 半导体器件结温，度

Tc----- 半导体器件外壳温度，度

Tf----- 散热器温度，度

Ta----- 环境温度，度

Pc----- 半导体器件的使用功率，W

△Tfa-----散热器温升，度

散热计算公式

Rtf=(Ti-Ta)/Pc-Rti-Rtc

散热器的热阻RFF是选择散热器的主要依据，TJ、RTJ是半导体器件提供的参数，PC是设计所需的参数，RTC可以在热设计专业书籍中查到。

（1）计算总热阻Rt：

Rt=(Timax-Ta)/Pc

（2）计算散热器热阻RTF或温升△TFA

RTF=RTJ - RTC

△Tfa=Rtf × Pc

（3）根据散热器的工作条件（自然冷却或强迫风冷），按RT或△TFA及PC选择散热器，并查选散热器的散热曲线（RTF曲线或△TA线），当曲线上查到的数值小于计算值时，即找到了合适的散热器。

热导率

热导率是指在单位长度每K内，可以传输多少w的能量，单位：w/m。

“W”表示功率单位，“m”表示长度单位米，“K”是绝对温度单位。

该值越大，导热性越好。

AL6063：铝挤压常用材料

AL6061: CNC加工金属：

AL1100 或 AL1050：AL 翅片常用材料

C1100: Cu翅片通用材料

C1020：热管常用材质

ADC12 或 ADC 10 或 A380：压铸材料

散热器的分类

1、按所用材质可分为：

a. 铝制散热器

b. 铜散热片

c.铜铝组合散热器

d.热管翅片

2、按制造工艺可分为：

a. 挤压散热器

这是现代散热中广泛使用的一种优良的散热材料，大部分厂家采用的是AL6063-T5优质铝材，其纯度可以达到98%以上，导热能力强，密度小，价格便宜，所以受到了各大厂家的青睐。

b. 锻造、铸造散热器:

常见于LED，形状：带圆形引脚的散热片

c. AL刮削翅片散热器

优点：散热面积大（解决了铝挤散热器因为鳍片太密的问题）

缺点：适合小批量生产，成本较高（与铝挤散热器相比）

d. 铜削散热片：

优点：散热性能好，解决了铜挤压的问题。

缺点：成本高、重量重、硬度高、加工困难（相对AL而言）

g. 带插入铜的散热器

优点：成本低、可量产

缺点：结构

多用于电脑CPU，接触部分改为铜块，铜吸热快，导热性能好

具备力强的特点，能够将CPU运作产生的大量热能迅速​​带到表面铜块上，再加上铜块与铝挤散热器紧密结合，使得大量的热能能够迅速扩散到铝挤散热器上，并被风扇的转动带走。

i. 粘合散热器

优点：

该技术可实现铜铝翅片与铜铝基座的任意组合搭配，还能有效避免焊接过程中各种焊膏导热不均匀而产生新热阻的弊端，可制作大尺寸散热器。

缺点：

使客户拥有更多的散热方案选择性和多样性，但由于其加工工艺的特殊性，量产成本还是过高。

冷却板

冷却板的设计：

冷却板呈致密薄板状，其内部设置有流体通道，使流体与冷却板产生对流，将冷却板表面大功率电子元器件的热功耗耗散。

冷却板的应用优点是可以在单位面积上耗散更多的热量，因此散热器结构可以小型化；冷却系统的缺点是必须使用在有流体介质的系统中，维护复杂，对元器件的可靠性要求较高。

水冷板设计基础

P：功耗

Tc、Tj：Tc为散热器表面温度，Tj为芯片结温。

锡：进水温度

Δ TC：散热器表面温升，Δ T=(Tc-Tin)/P

Tout：出水温度

△TW：进出水温升，△TW=Tout-Tin

Ta:环境温度

流体：EGW x%，或PGW x%，或水

△ts：散热器表面各芯片温差

压力：流体压力下降

可靠性水冷板

1）强度——产品满足结构使用要求

2）压力保持测试-产品满足系统高压运行下的密封要求

3）泄漏测试——产品在一定压力条件下，单位时间内泄漏量符合要求

4）耐腐蚀要求——产品所用原材料满足多年耐腐蚀、不渗漏的要求

5）振动要求——产品在一定的振动条件下满足密封要求。且结构不损坏，密封性不降低。

6）其他，如平面度、粗糙度、螺丝拉拔力、螺丝预紧力等

水冷板加工工艺：

1）CNC槽型：CNC（开槽）+氩弧焊、CNC（开槽）+钎焊、CNC（开槽）+真空钎焊、CNC（开槽）+搅拌摩擦焊、CNC（开槽）+O型圈

2）深孔加工形式：枪钻+氩焊、枪钻+麻花片+氩焊、枪钻+O型圈、枪钻+麻花片+O型圈

3）铸造形式：重力铸造埋管、重力铸造+氩焊·重力铸造+钎焊、重力铸造+真空钎焊、重力铸造+搅拌摩擦焊

4）线圈焊接形式：CNC铝板+铜管+环氧、CNC铝板+钢管+环氧、CNC铝板+铜管+锡焊

5）超薄水冷板工艺：宽扁管焊接、冲压片扩散焊接、冲压片钎焊、冲压片真空钎焊

6）挤压水板形式：阵列分流孔水板、超薄电池水冷板

表面处理

1.喷砂

喷砂处理是利用压缩空气将石英砂高速吹出，清理零件表面的一种方法，又叫吹砂，它不但可以除锈，还可以除油。对于涂装来说，非常适合于零件表面除锈；对零件表面进行修改；钢结构中高强度螺栓连接是一种先进的方法，由于高强度连接是利用连接面间的摩擦力来传递力的，所以对连接面的质量要求很高，必须对连接面进行喷砂处理。

形状复杂时采用喷砂处理，易于人工除锈，效率低，现场环境差。

喷砂机有各种规格的喷砂枪，只要不是特别小的箱子，都可以把枪放进去烘干。

压力容器配套产品----封头，采用喷砂工艺去除工件表面氧化皮，石英砂粒径为1.5m~3.5mm。

有一种加工方式是利用水作为载体，带动金刚砂来加工零件，这就是喷砂加工的一种。

2.铝合金表面处理

1).铝合金电镀工艺

由于铝及其合金的化学和物理特性，铝件的电镀比钢基体要困难得多，必须进行一些特殊处理。以下是汽车铝合金轮毂电镀工艺流程

抛光-喷丸（选择性）→超声波除蜡→水洗→碱蚀除油→水洗→酸蚀（灭光）→水洗→浸锌→水洗→脱锌→水洗→浸锌→水洗→电镀暗镍→水洗→酸性亮铜I→水洗→抛光→超声波除蜡→水洗→阴极电解除油→水洗→活化→水洗→半亮镍→高硫镍→亮镍→镍封孔→水洗→镀铬→水洗

2).铝合金化学镀工艺

铝合金化学镀镍因其优异的性能越来越被厂家所接受。化学镀镍又称镍磷镀层。铝合金表面（电脑散热片、硬盘等）采用以下工艺

常温化学脱脂→流水清洗x2→热脱脂→流水清洗x2→碱蚀→流水清洗x3→酸洗→流水清洗x2→一次浸锌→流水清洗x2→20%硝酸→流水清洗×3→二次浸锌→流水清洗x3→（1-5%)氨水预浸→预镀化学镍→流水清洗x2→纯水清洗→中磷光亮化学镍或高磷光亮化学镍→流水清洗x3→钝化→流水清洗x3→烘干干燥→检验→包装

半导体器件等电子元器件表面的铝基体由于焊接的需要，经常需要进行化学镀镍、化学镀金，其工艺流程如下：

除油→碱蚀→抛光→第一次浸锌→脱锌→前处理溶液→第二次浸锌→化学镀镍→酸洗半固化片→化学镀金→最终处理

3. 钝化

钝化是将金属放入硝酸盐、硝酸盐、铬酸盐或重铬酸盐溶液中处理，使金属表面生成一层铬酸盐钝化膜，常用作锌、镉镀层的后处理，以提高镀层的耐蚀性、对有色金属的保护性、以及漆膜的附着力。

铝及铝合金的钝化工艺流程：

铝及铝合金经铬酸盐处理后，可获得另一种与阳极氧化完全不同的化学转化膜，其成分与锌、镉的铬酸盐膜相同，都是铬的络合物。

铝阳极和铬酸盐的区别---导电和非导电

铝挤压散热器常用的表面处理：1.清洁 2.阳极氧化 3.铬酸盐

铜散热片常用表面处理：抗氧化

4.镀镍

用电解或化学方法在金属或某些非金属上镀上一层镍的方法称为镀镍。镀镍包括电镀镍和化学镀镍。

电镀是在由镍盐、导电盐、PH缓冲剂、润湿剂等组成的电解液中进行，以金属镍为阳极，通以直流电，在镀件上便会沉积一层均匀致密的镍镀层。在镀液中加入光亮剂可得到光亮镍，在电解液中不加入光亮剂则可得到暗镍。

化学镀又称自催化镀，具体过程是指水溶液中的金属离子在一定条件下被还原剂还原，并析出到固体基体表面的过程。自催化镀在ASTM B374（美国材料与试验协会）中的定义是“通过受控的化学还原反应，由被镀金属或合金催化而沉积金属镀层”。此过程与置换镀不同，镀层可以不断增厚，镀层金属本身也具有催化能力。

化学镀镍因具有良好的可焊性，在散热行业中得到广泛应用。

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