基于新型泡沫金屬材料的散熱器研究

張伊卓++邵悅婷++羅強

摘 要：目前市面上最常見的散熱器模組是采用銅和鋁合金，而最普遍的散熱方式通過熱傳導方式將熱量傳輸到散熱模組，再進行強制對流換熱從而達到散熱目的。為了提高散熱效率，多以提高散熱接觸面積來實現，如通過鋁擠壓技術來提高散熱器底座的厚度和PIN-FIN比。我們研究采用新型的泡沫金屬材料去替換原有的散熱器材料，在大幅度的降低散熱器的重量的同時，提升散熱性能。

關鍵詞：散熱器；泡沫金屬；泡沫銅

中圖分類號：TB657 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）03-0065-01

1 研究背景

目前微電子行業部分設備工作時所產生的熱量如果不能及時散熱，可能影響設備本身的工作效率，甚至損壞設備。以現在計算機的集成電路為例，高溫不但會導致系統運行不穩，使用壽命縮短，甚至有可能使某些部件燒毀，傳熱模型如下：

該cpu傳熱模型的總傳熱熱阻R可以用公式來表示：

根據公式（2），熱流密度φ一定的條件下，熱阻越大的地方就是溫差越大的位置。對于cpu散熱翅片，溫差主要發生在翅片與空氣之間（即ΔT5）。這表明散熱阻力主要在于空氣側的R5，而非翅片和鋁基板內部。所以，有效降低空氣與翅片之間的傳熱熱阻是強化cpu模塊散熱的根本途徑。R5可以用公式（3）來計算。

傳統形式的換熱器的換熱面積受制于肋片或翅片的型式。降低翅片厚度、增加其長度和數量是常用強化換熱方法。這種方式不僅受到換熱器重量和加工方式的的制約，對于cpu散熱來說，受限于計算機體積與重量控制。為此，本項目以超常規地增加換熱面積為出發點，建議研發一種基于多孔介質的高效輕型散熱器。

2 研究方法

如圖1所示，本實施例通過利用泡沫銅散熱器2具有雜亂無章的多孔超大金屬骨架來提升換熱面積。

泡沫銅散熱器2具體可以根據需要采用孔隙率為95%～99%、平均孔徑為0.35～1mm的泡沫銅。本實施例中，泡沫銅散熱器2采用的泡沫銅具體為95%，平均孔徑為0.5mm。需要說明的是，泡沫銅是一種在銅基體中均勻分布著大量連通或不連通孔洞的新型多功能材料，目前已經是市場上能夠購買得到成熟商業產品，其用途一般為用于制備電池負極（載體）材料和電磁屏蔽材料等。

如圖1所示，本實施例中泡沫銅散熱器2與鋁基板1之間設有導熱介質層3。本實施例通過在鋁基板1的背面涂覆導熱介質層3，能夠利用導熱介質層3優良的導熱性能，將cpu單元工作時產生的熱量傳遞給泡沫銅散熱器2。本實施例中，導熱介質層3具體為導熱硅膠層，此外也可以采用其他形式的導熱介質。

本實施例的CPU工作模塊的工作過程如下：CPU模塊單元通電源工作的同時會發熱，熱量沿著鋁基板1背面的導熱介質層3被傳導給泡沫銅散熱器2，由于在工作時泡沫銅散熱器2空腔內部的空氣受熱上升從頂部的表面排出并形成低壓，使得泡沫銅散熱器2前后左右四個側面吸入常溫空氣，補充泡沫銅散熱器2空腔內的低壓，從而形成持續的空氣循環流動將CPU模塊單元產生的熱量帶走，從而降低整個CPU工作模塊的溫度，一般可保持CPU工作模塊的溫度保持在50攝氏度左右。由于CPU工作模塊的溫度被降低，使得CPU模塊單元能夠保持正常工作

3 研究結果

CPU通過改進新型泡沫銅散熱器降溫情況明顯，采用較高空隙率的多孔介質替代原有金屬散熱器預期可減少50%以上的金屬使用量，即散熱器的重量上也將減少50%?？紤]散熱器的制備工藝和量產條件下，散熱器的總體成本粗略估計可控制為原有散熱器成本的80%。

4 結語

隨著過多高精密儀器的出現，工作所產生的高溫往往會影響其設備的工作效率，甚至損壞設備。但是由于工作環境的限制，我們不能單一的增加散熱模塊的體積來達到散熱目的。所以開發以泡沫金屬材料作為新型的散熱器能夠很好的解決這一問題。在部分行業如LED燈行業，提高散熱效率，降低散熱器體積和成本，不僅僅能夠達到節約成本的目的，在降低工作溫度 后更能達到更高的工作效率，從而達到節能目的。

參考文獻

[1]莫冬傳，呂樹申，金積德.高熱流密度均溫板的傳熱特性實驗研究[J].工程熱物理學報，2008（02）.