大高寬比散熱片制造方案

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(中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

大高寬比散熱片制造方案

江海東，楊兆軍，周明智

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

以大高寬比散熱片的制造為對象，給出了大高寬比散熱片翅片的幾種加工方法，介紹了每一種制造方法的基本原理和優(yōu)缺點，對散熱片的加工制造具有一定的應(yīng)用價值。

高寬比；散熱片；鏟削；熔模鑄造

0 引言

電子設(shè)備核心的芯片，工作的主頻越來越快，消耗的功率越來越大，發(fā)出的熱量也越來越多[1]。在70℃ ～80℃ 水平上，溫度每增加1℃ ，器件可靠性下降5%[2]。研究表明，超過55%的電子設(shè)備其失效形式是由溫度過高引起的，而且隨著溫度的不斷增加，其失效率呈指數(shù)增長[3]。因此，冷卻散熱技術(shù)的發(fā)展是解決電子設(shè)備高可靠發(fā)展的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著電子設(shè)備芯片的發(fā)熱功率的日益加大，散熱需求增加，散熱設(shè)計難度越來越大。風(fēng)冷系統(tǒng)由于其低成本、高可靠，是目前電子設(shè)備普遍使用的一種冷卻散熱方式。

常見的風(fēng)冷系統(tǒng)是將電子設(shè)備發(fā)熱芯片安裝在散熱片基座上，將芯片工作產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至散熱片基座，再經(jīng)翅片和空氣進(jìn)行對流散熱。在工程應(yīng)用中，最為常用方法是通過增加翅片數(shù)量或增大單個散熱翅片的面積來提高風(fēng)冷系統(tǒng)散熱能力，在制造能力允許的范圍內(nèi)，風(fēng)冷系統(tǒng)需要最大限度地增加散熱片高寬比以滿足熱流密度不斷提高的芯片散熱要求。此外，隨著熱設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，雖然各種不同冷卻(如液冷、熱管冷卻和熱電冷卻)技術(shù)都可解決散熱問題，但采用散熱片的風(fēng)冷技術(shù)仍是非常經(jīng)濟可靠的一種散熱方式，高效、低成本地制造散熱片具有實用性。

為解決風(fēng)冷系統(tǒng)散熱問題，提高散熱片的換熱效率，大高寬比(高寬比大于20，翅片寬度小于2 mm，間距小于3 mm)散熱片的應(yīng)用越來越廣泛。大高寬比散熱片翅片剛性低、易變形，這對傳統(tǒng)的切削加工方法帶來考驗，為了解決大高寬比散熱片的制造問題，下面給出了幾種制造方案，也是該類散熱片加工制造的重要參考。

1 整體加工法

1.1 銑削加工

大高寬比散熱片如圖1所示，由于翅片的大高寬比限制，常規(guī)的銑削加工刀具不能滿足翅片的加工要求，采用立銑刀加工時需定制加長刀具，使用高速數(shù)控機床多次小切削量加工，該方法費效比低。另一種銑削方法是將特制的單刃刀裝配在加長刀桿上采用臥銑切削加工，相比立銑的加工方法，臥銑單刃刀加工效率高，翅片表面光潔度低，該方法對機床的工作行程有要求，工件較長時需要調(diào)換方向裝夾拼接加工。單刃刀臥銑加工的散熱片如圖2所示。

圖1 大高寬比散熱片翅片

圖2 單刃刀臥銑加工的散熱片

1.2 鏟削加工

鏟削加工散熱片翅片是一種近年來出現(xiàn)的散熱片加工新方法。散熱片的翅片采用特殊的刀具直接從金屬上鏟削而成[4]，其加工原理如圖3所示。刀具切削運動方向與工件毛坯表面呈一定角度，當(dāng)?shù)毒呦蚯斑M(jìn)行切削運動時，鏟削加工產(chǎn)生的薄片型切屑經(jīng)刀背折彎形成翅片；刀具后退時，工件被移動推進(jìn)一個固定步距，進(jìn)行下一次切削。如此反復(fù)不斷，在工件毛坯底座上切出一片片排列整齊的翅片，從而加工出整體散熱翅片。

圖3 鏟削散熱翅片加工原理

散熱翅片厚度t(變形之前)與步進(jìn)距離Δ、切削角度θ關(guān)系為:

t=Δ·sinθ

從上式和圖3可以看出，刀具切入深度越小，翅片厚度t越小，翅片厚度大小與工件的步進(jìn)距離Δ及切入角度θ直接相關(guān)?？梢灾桓淖兊毒咔腥虢嵌圈葋韺崿F(xiàn)翅片厚度不變而使翅片間距發(fā)生變化。

根據(jù)鏟削加工翅片的原理可知，翅片材料的選用時要求工件基體材料塑性好，翅片易成型，目前鋁、銅材料均可加工。加工翅片時工件毛坯末端有一段材料不能被加工利用，為了降低工件材料的浪費，可通過加長散熱片翅片的長度來相對提高材料利用率。鏟削加工散熱片的翅片表面光潔度低，翅片鏟削后要校形。鏟削加工的散熱片如圖4所示。

圖4 鏟削加工的散熱片

1.3 電火花線切割加工

電火花線切割加工方法是將待加工的散熱片工件材料豎起裝夾，利用電火花線切割機床切割成型翅片的一種加工方法，加工出的翅片長度尺寸有限，一般在300mm以內(nèi)。該方法加工大高寬比散熱片時效率低、成本高。

2 擠壓

目前，市場上多數(shù)散熱片均是采用擠壓工藝制造，擠壓成型散熱片成本低，周期短。某產(chǎn)品中擠壓成型的散熱片如圖5所示。擠壓成型的散熱片受模具表面精度高的作用，能夠做到翅片表面光潔度比較高，而且可以在散熱片的翅片表面增加凸起棱，以達(dá)到有效增加散熱面積的需要。但隨著高速發(fā)展的電子設(shè)備芯片散熱量的不斷增大，擠壓散熱片逐漸不能滿足電子設(shè)備的散熱使用要求，因為擠壓成型的散熱片密度受模具強度的限制無法做到更密，導(dǎo)致散熱片與空氣的換熱面積大小受限。因此，在未來的主流電子設(shè)備散熱片使用上，擠壓工藝制造的散熱片將逐漸減少。

圖5 某產(chǎn)品擠壓成型散熱片

3 焊接

采用焊接方法制造散熱片的方案，一般應(yīng)用于鋁或銅材質(zhì)的散熱片加工，其加工原理是使用薄板材制作散熱翅片，底座板材上加工出各翅片的定位凹槽，裝配定位后采用高溫或低溫釬焊技術(shù)將其連接成型。該方法能夠制造出高密度的散熱片，但由于其加工工藝復(fù)雜，成本高，且焊縫處易受腐蝕，一般僅用于高端散熱片的制造。該方法因其散熱翅片和底座之間采用焊接連接，存在焊接熱阻，對散熱片的散熱性能會有所影響。某焊接成型的散熱片如圖6所示。

圖6 某焊接成型的散熱片

4 鑄造

鑄造是將液體金屬澆注到與工件形狀相吻合的鑄造模具空腔中，待其冷卻凝固后獲得工件或毛坯的方法。隨著鑄造技術(shù)的發(fā)展，目前，有低壓鑄造、精密壓鑄和熔模鑄造等精密鑄造技術(shù)可以滿足散熱片的制造要求。

在各種鑄造技術(shù)中，熔模鑄造工藝具有成形精度高、表面質(zhì)量高和成型材料范圍廣等優(yōu)點。其主要工藝流程如圖7所示。目前,用熔模鑄造生產(chǎn)的鋁合金熔模精密鑄件，最大外廓尺寸為1 m，最小壁厚為0.8 mm。除航空領(lǐng)域外，國外發(fā)達(dá)國家已將該項技術(shù)推廣應(yīng)用至電子領(lǐng)域產(chǎn)品的制造，如大型電子設(shè)備的框架、散熱殼體和高精度的微波功能部件等。圖8、圖9為某產(chǎn)品散熱殼體采用熔模鑄造方法制作的蠟?zāi)＜凹庸ず蟮墓ぜ嵨?，散熱殼體上的翅片凈成型，厚度為1.8 mm，間距為3.5 mm。

采用熔模鑄造方法制作散熱翅片需要重點控制翅片的成型質(zhì)量，消除鑄件中的微氣孔及夾雜物，獲得組織致密的翅片，方能保證散熱翅片的散熱性能。

圖7 熔模鑄造工藝流程

圖8 某產(chǎn)品散熱殼體成型蠟?zāi)Ｖ谱?/p>

圖9 某產(chǎn)品散熱殼體熔模鑄造成型后的精加工件

5 結(jié)束語

上述4類制造方法都能適用大高寬比散熱片翅片的加工制造。銑削加工和電火花線切割加工尺寸精度高，效率低；鏟削加工效率高，翅片表面光潔度低、需校形；擠壓方法制造散熱片的翅片表面精度高，但翅片成型密度受模具強度限制。焊接方法制造的散熱翅片不受翅片尺寸限制，但工藝流程長，翅片的焊縫處需要做好防護(hù)處理，熱設(shè)計時需要考慮焊縫處的焊接熱阻；熔模鑄造方法制造散熱翅片時可以和微波殼體一體化集成設(shè)計，但對翅片的寬度和高度尺寸有一定的要求。

[1] 張雪粉，陳旭.功率電子散熱技術(shù)[J].電子與封裝，2007，21(7)：35-39.

[2] 陳恩.電子設(shè)備熱設(shè)計研究[J].制冷，2009，10( 28):53-58.

[3] 于慈遠(yuǎn)，于湘珍，楊為民.電子設(shè)備熱設(shè)計熱分析熱測試技術(shù)[J].微電子學(xué)，2000，30(5)：334-337.

[4] 張永俊，王玉強.整體式散熱片加工方法和機床設(shè)計[J].機電工程技術(shù)，2011，40(10)：54-55.

Review of Manufacturing Methods of Cooling Fin With Big Height-width Ratio

JIANGHaidong,YANGZhaojun,ZHOUMingzhi

(China Electronics Techology Group Gorporation No.38 Research Institute,Hefei 230088,China)

Taking the cooling fin with big height-width radio for the object,this paper describes several manufacturing methods of the cooling fin,and provides a reference value for the selection manufacturing methods by analyzing each method of fundamental,advantages and disadvantages.

height-width ratio;cooling fin; backing-off cutting;investment casting

2014-08-15

TN605

A

1001-2257(2014)11-0072-03

江海東(1976-)，男，安徽廬江人，高級工程師，研究方向為雷達(dá)總體工藝技術(shù)及電子機械工程應(yīng)用等；楊兆軍(1987-)，安徽滁州人，助理工程師，研究方向為產(chǎn)品工藝設(shè)計及電子機械工程應(yīng)用等；周明智(1973-)，男，安徽廬江人，高級工程師，研究方向為精密成型、新材料制備及應(yīng)用和工藝過程仿真。