銅材在CPU 散熱器中的應(yīng)用

江 鐘

(江西銅業(yè)集團(tuán)公司 銅板帶有限公司，江西 南昌 330096)

1 引言

CPU 散熱器，由散熱風(fēng)扇，散熱片和扣具三個(gè)部件所組成。基本形狀見圖1。

圖1 CPU 散熱器

CPU 是一個(gè)高密度的發(fā)熱源。現(xiàn)代微電子技術(shù)高速發(fā)展，使得集成電路的集成度與工作頻率越來越高。以處理器為例，單個(gè)硅核已集成了數(shù)十億個(gè)晶體管，且工作頻率已超過3GHz，功耗超過100 W［1］。CPU 散熱器的好壞對(duì)整臺(tái)電腦是否能正常高效工作至關(guān)重要，CPU 每升高2℃它的穩(wěn)定性將降低10%。為了使CPU 發(fā)揮最佳性能并保證其穩(wěn)定性及可靠性，必須利用有效的冷卻方式。所以熱設(shè)計(jì)工程師們?cè)贑PU 上加裝各種散熱器來對(duì)其進(jìn)行冷卻［2］。散熱器的功能就是在最短的時(shí)間內(nèi)最大限度地帶走CPU 產(chǎn)生的熱量，使CPU 溫度不會(huì)過高，從而保證CPU 可以正常工作且避免CPU 的損毀。

CPU 散熱器有兩個(gè)熱量接觸面，第一個(gè)接觸面是在CPU 和散熱器底部之間的熱量傳導(dǎo)的接觸面，第二個(gè)接觸面是其CPU 散熱器的散熱片與風(fēng)扇所吹出的氣流和其散熱片一起產(chǎn)生的熱流。一個(gè)大風(fēng)量的風(fēng)扇加上材料不錯(cuò)的散熱片是組成一個(gè)性能不錯(cuò)的CPU 散熱器的必要條件。其次扣具的作用也不容忽視，扣具最大的作用就是將散熱器底面與CPU 平面緊密接觸，無論散熱器有著多強(qiáng)的性能和多好的測(cè)試效果，一旦他們之間有空隙時(shí)，其散熱效能不但會(huì)大打折扣和減少，甚至?xí)龤PU。為了提高接觸效果，必須用導(dǎo)熱硅酯來填補(bǔ)這些微小的空隙。CPU 溫度分布圖見圖2。

圖2 CPU 溫度分布云圖［3］

隨著低端主流的賽揚(yáng)頻率上升到2GHz 左右和高端的Pentium 4 甚至達(dá)到了3GHz 以上，CPU 的主頻越來越高，從Intel 和AMD 的技術(shù)白皮書來看，處理器的標(biāo)準(zhǔn)工作溫度超過50℃以上的高溫。1971年至今，單芯片上的晶體管數(shù)目已經(jīng)增長(zhǎng)18000 多倍!集成度的提高也成為推動(dòng)計(jì)算機(jī)業(yè)繁榮的力量之一。目前的CPU 采用線寬90nm(0.09μm)制造技術(shù)，65nm 生產(chǎn)工藝制造的CPU 也已出爐，以及“激光輔助直接刻印法”(LADI)和“遠(yuǎn)紫外平版印刷技術(shù)”(EUV)等生產(chǎn)工藝的研發(fā)成功問世都表明制造密度更高，運(yùn)算速度更快的CPU 還存在很大的技術(shù)空間，未來的CPU 集成的晶體管密度還會(huì)日益成倍增長(zhǎng)，即單位面積內(nèi)集成的晶體管數(shù)量成倍增長(zhǎng)。但是會(huì)使總的能量消耗以及因此而轉(zhuǎn)換的熱量也是水漲船高。更嚴(yán)重的是，CPU 消耗的電能變換為熱能的形式，不僅僅是功率值的增長(zhǎng)，還有它是集中在一個(gè)更小的尺寸空間，將給散熱帶來空前的難度，若不能有效解決散熱問題，高密度集成技術(shù)就不能被應(yīng)用，這將是阻礙CPU 發(fā)展的一大瓶頸。

2 散熱器材質(zhì)的選擇

銀是最好的傳導(dǎo)媒體，它的熱傳導(dǎo)率是最高的，其次是銅，然后是鋁。但銀非常之柔軟，不利于制造散熱器這種高密度的金屬器，且其昂貴的“身價(jià)”嚴(yán)重影響它的大面積推廣使用。通常柔軟的銀可以做成高檔的導(dǎo)熱硅脂，不過價(jià)值也是不菲的。

純鋁散熱器是早期最為常見的散熱器，其制造工藝簡(jiǎn)單，成本低，到目前為止，純鋁散熱器仍然占據(jù)著相當(dāng)一部分市場(chǎng)。為增加其鰭片的散熱面積，純鋁散熱器最常用的加工手段是鋁擠壓技術(shù)，鋁質(zhì)散熱器主要用于中低端CPU 市場(chǎng)。

鋁的熱傳導(dǎo)系數(shù)為237W/mK，銅的熱傳導(dǎo)系數(shù)則為401W/mK，銅的熱傳導(dǎo)系數(shù)是鋁的1.69 倍，而比較同樣體積的散熱器，銅質(zhì)散熱器可以比鋁質(zhì)散熱器容納更多的熱量，升溫更慢。同樣厚度的散熱器底座，銅不但可以快速引走熱源如CPU Die 的溫度，自己的溫度上升也比鋁的散熱片緩慢。所以在其他條件相同的前提下，純銅散熱器能夠更快地將熱量從熱源中帶走，以上是銅散熱器的優(yōu)勢(shì)。但銅也有明顯的缺點(diǎn)，成本高，加工難，散熱器質(zhì)量太大都阻礙了全銅散熱片的應(yīng)用。銅密度是鋁密度的大約3 倍，雖然用銅換熱較強(qiáng)，但若用銅代替鋁作散熱器材料，散熱器的重量就會(huì)大大增加，在工藝條件允許的情況下，可以考慮在換熱較為強(qiáng)烈的區(qū)域用部分銅代替鋁，以加強(qiáng)換熱效果［4］。銅質(zhì)和鋁質(zhì)散熱器基本形狀見圖3。

圖3 銅質(zhì)和鋁質(zhì)散熱器圖［3］

因此，無論純銅、純鋁、還是鋁合金散熱器，都有一個(gè)致命的缺陷:由于只使用一種材質(zhì)，雖然基本的散熱能力能夠滿足輕度散熱的需要，但由于無法很好地均衡熱傳導(dǎo)能力和熱容量能力兩個(gè)方面的要求，在散熱要求較高的場(chǎng)合便未免有些力不從心了。于是就有了銅鋁結(jié)合的散熱器出現(xiàn)。在考慮了銅和鋁這兩種材質(zhì)各自的缺點(diǎn)后，目前市場(chǎng)部分高端散熱器往往采用銅鋁結(jié)合制造工藝，這些散熱片通常都采用銅金屬底座，而散熱鰭片則采用鋁合金，當(dāng)然，除了銅底，也有散熱片使用銅柱等方法，也是相同的原理。憑借較高的導(dǎo)熱系數(shù)，銅制底面可以快速吸收CPU 釋放的熱量;鋁制鰭片可以借助復(fù)雜的工藝手段制成最有利于散熱的形狀，并提供較大的儲(chǔ)熱空間并快速釋放，這在各方面找到了的一個(gè)均衡點(diǎn)。把銅、鋁結(jié)合應(yīng)用，利用銅的高導(dǎo)熱系數(shù)特點(diǎn)，把熱量傳導(dǎo)至鋁材質(zhì)的鰭片，再通過風(fēng)扇的對(duì)流作用散發(fā)至空氣中。既保證其重量不超標(biāo)，又可量產(chǎn)，也取得了一定的效能提升。所以銅鋁結(jié)合散熱器成為目前CPU 散熱器的主流材料。

3 銅鋁結(jié)合技術(shù)

銅鋁的結(jié)合比較困難，由于銅和鋁之間的親和力較差，如果接合處理不好，便會(huì)產(chǎn)生較大的介面熱阻(即兩種金屬之間由于不充分接觸而產(chǎn)生的熱阻)。在實(shí)際設(shè)計(jì)和制造中，盡可能降低介面熱阻是生產(chǎn)好品質(zhì)的銅鋁散熱器的關(guān)鍵。目前市面上有著各種各樣的銅鋁結(jié)合的CPU 散熱器，采用不同的工藝將銅與鋁結(jié)合在一起，常用的有扦焊、螺絲鎖合，熱脹冷縮結(jié)合，機(jī)械式壓合等方式［5］。

扦焊是采用熔點(diǎn)比母材熔點(diǎn)低的金屬材料作為焊料，在低于母材熔點(diǎn)而高于焊料熔點(diǎn)的溫度下，利用液態(tài)焊料潤濕母材，填充接頭間隙，然后冷凝形成牢固接合界面的焊接方法。主要工序有:材料前處理、組裝、加熱焊接、冷卻、后處理等工序。常用的扦焊方式是錫扦焊，鋁表面在空氣中會(huì)形成一層非常穩(wěn)定的氧化層(Al2O3)，使銅鋁焊接難度較高，這是阻礙焊接的最大因素。必須要將其去除或采用化學(xué)方法將其去除后并電鍍一層鎳或其它容易焊接的金屬，這樣銅鋁才能順利焊接在一起。散熱片上的銅底是進(jìn)行熱的傳導(dǎo)，要求的不僅是機(jī)械強(qiáng)度，更重要的是焊接的面積要大(焊著率要高)，才能有效地提升散熱效能，否則不但不會(huì)提升散熱效能，反而會(huì)使其比全鋁合金的散熱片更加糟糕。目前銅鋁焊接的散熱片主要問題就是焊著率低，只從外觀是不能檢查出焊接質(zhì)量好壞的。圖4是使用無損掃描探傷儀檢測(cè)出的不同品質(zhì)的焊接界面的情況。

圖4 使用無損掃描探傷儀檢測(cè)出的不同品質(zhì)的焊接界面

圖4 中紅色斑塊部分為焊接不良區(qū)，藍(lán)色部分為焊接良好區(qū)，焊接質(zhì)量較差。

鎖合工藝是將薄銅片通過螺絲與鋁制底面結(jié)合，這樣做的主要目的是增加散熱器的瞬間吸熱能力，延長(zhǎng)一部分本身設(shè)計(jì)成熟的純鋁散熱器的生命周期。經(jīng)過測(cè)試發(fā)現(xiàn):在鋁散熱片底部與銅塊之間使用高性能導(dǎo)熱介質(zhì)，施加80kgf 的力壓緊后用螺絲將其鎖緊，其散熱效果與銅鋁焊接的效果相當(dāng)，同樣達(dá)到了預(yù)計(jì)的散熱效能提升幅度。這種方法較焊接簡(jiǎn)單，而且品質(zhì)穩(wěn)定，制程簡(jiǎn)單，投入設(shè)備成本較焊接低，不過只是作為改進(jìn)，所以性能提升不明顯。雖然有散熱膏填充，銅片與鋁底之間的不完全接觸仍然是熱量傳遞的最大障礙。制造的主要工序有:銅片裁切、校平、鉆孔、涂抹導(dǎo)熱介質(zhì)鉆孔、攻牙、清洗、強(qiáng)力預(yù)壓程序、兩段式鎖合作業(yè)、定扭力鎖螺絲。貼片工藝的重點(diǎn)在于控制好銅、鋁平面度和粗糙度，以及鎖螺絲的扭力等因素，即可得到一定的效能提升，是一種不錯(cuò)的銅鋁結(jié)合方式。如果使用的導(dǎo)熱介質(zhì)性能低劣，或是銅塊平整度不良，熱量就不能順利地傳導(dǎo)至鋁的散熱片表面，使散熱效果大打折扣。另外，螺絲的鎖合力和銅材的純度不夠，都是不良的影響因素。

熱脹冷縮結(jié)合是在鋁的散熱片底部加工一個(gè)直徑ψ=D1 的圓孔，另外做一個(gè)直徑ψ=D1+0.1mm的銅柱，利用金屬材料的熱脹冷縮特點(diǎn)，將鋁質(zhì)散熱片加熱至400℃，其受熱膨脹圓孔直徑擴(kuò)張至D1+0.2mm 以上。利用專門機(jī)器在高溫下將常溫(或冷卻后的)銅柱快速塞入鋁質(zhì)散熱片之圓孔內(nèi)，待其冷卻收縮后，銅柱與鋁質(zhì)散熱片就能緊密結(jié)合一體。這也是一種可靠的方法，其銅鋁穩(wěn)定性很高，由于沒有使用第三方介質(zhì)，結(jié)合緊密度最佳。塞銅工藝可以大幅度降低接觸面間的熱阻，不但保證了銅鋁結(jié)合的緊密程度，更充分利用了兩種金屬材料的散熱特性，基本形狀見圖5。

圖5 銅柱鋁質(zhì)散熱器

插齒工藝大膽改進(jìn)傳統(tǒng)的銅鋁結(jié)合技術(shù)。先將銅板刨出細(xì)槽，然后插入鋁片，利用60t 以上的壓力，把鋁片結(jié)合在銅片的基座中，并且鋁和銅之間沒有使用任何介質(zhì)，從微觀上看鋁和銅的原子在某種程度上相互連接，從而徹底避免了傳統(tǒng)的銅鋁結(jié)合產(chǎn)生介面熱阻的弊端，大大提高了產(chǎn)品的熱傳導(dǎo)能力，并且可以生產(chǎn)銅片插鋁座，銅片插銅座等各種工藝產(chǎn)品，來滿足不同的散熱需求。這種技術(shù)充分延長(zhǎng)了一部分銅鋁結(jié)合技術(shù)的壽命，其形狀見圖6。

圖6 插齒工藝制造的散熱片

4 銅材在CPU 散熱器中的應(yīng)用前景

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和產(chǎn)品的快速發(fā)展，系統(tǒng)的處理能力得到了很大的提升。與此同時(shí)系統(tǒng)的功耗也幾乎同步增加，特別是CPU、顯卡這些核心配件功率極速上升，普通風(fēng)冷散熱器已經(jīng)不能滿足需求［6］。全球兩大CPU 生產(chǎn)廠家是INTEL 和AMD 公司，他們同時(shí)也都將各自CPU 的性能放在第一位，不斷地技術(shù)突破，最大限度地挖掘CPU 每一份潛能。但是，現(xiàn)有制造工藝制約了CPU 速度的繼續(xù)提升，熱量成為高頻CPU 穩(wěn)定運(yùn)行難以逾越的鴻溝，散熱效果的好壞直接影響到電腦運(yùn)行的穩(wěn)定，甚至成為燒毀CPU 的罪魁禍?zhǔn)?。隨著CPU 性能的進(jìn)一步提高，CPU 散熱問題愈益凸現(xiàn)。散熱器供應(yīng)商們正從散熱材料、結(jié)構(gòu)、機(jī)械設(shè)計(jì)等方面入手，力求改善CPU 冷卻效果并控制散熱器的噪音。高頻率CPU 由于功率大，對(duì)散熱的要求也更為苛刻。Intel corel 四核和新速龍(Athlon XP)處理器的問世要求電腦廠商生產(chǎn)出功能更強(qiáng)大的冷卻器，以應(yīng)對(duì)比原有產(chǎn)品發(fā)熱更多的新型CPU。純銅、熱管乃至水冷等高端散熱工藝的進(jìn)一步成熟，正好迎合了市場(chǎng)對(duì)高端散熱產(chǎn)品不斷擴(kuò)大的需求。隨著工藝的進(jìn)一步成熟和成本的進(jìn)一步降低，高端散熱器產(chǎn)品也逐漸走入了大眾的視野，銅材在CPU 散熱器中所起的作用將隨著CPU 主頻的不斷升高而顯得越來越重要。隨著CPU 主頻不斷提高，對(duì)散熱器提出了更高的要求，CPU 散熱器甚至成為阻礙高密度集成技術(shù)發(fā)展，高頻CPU 發(fā)展的瓶頸，高純度銅材在CPU 散熱器中將得到更廣泛的應(yīng)用。

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