隨著計(jì)算機(jī)科技的快速發(fā)展，中央處理器（CPU）的頻率得到了很大提高，CPU芯片的功率和發(fā)熱密度快速增大，散熱問題越來越受到重視，CPU散熱器是將芯片上的散熱量快速導(dǎo)出的關(guān)鍵部件。目前，主要散熱形式有：風(fēng)冷散熱、水冷散熱、半導(dǎo)體散熱和熱管散熱。CPU的散熱主要依靠風(fēng)扇的強(qiáng)制對流帶走散熱翅片上的熱量，其中熱傳導(dǎo)和熱對流是風(fēng)冷式散熱器的主要熱量傳遞方式。
市場上CPU散熱器的材料一般選擇導(dǎo)熱系數(shù)很高的金屬（銅或鋁），而筆者針對這兩個(gè)關(guān)鍵問題，提出一種金屬----導(dǎo)熱塑料復(fù)合的扇形散熱器結(jié)構(gòu)。將金屬良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)熱塑料良好的設(shè)計(jì)加工性結(jié)合起來，不僅能夠減輕散熱器的重量和減少成本，而且無需任何后續(xù)加工過程，注射成型可使散熱器的成型期縮短20%-50%，提高了加工效率，便于工業(yè)化生產(chǎn)。
基于CPU芯片的實(shí)際工作情況，對CPU的對流換熱邊界條件的具體參數(shù)；CPU的功率為100W,其中發(fā)熱功率占10%，即P=10W。散熱器周圍溫度Q=50℃，電子元件輻射等效熱流G=1500W/㎡，冷卻葉片高速的強(qiáng)制對流載荷H=52W/(㎡.℃).
結(jié)合實(shí)際CPU芯片的散熱器結(jié)構(gòu)，建立了金屬---導(dǎo)熱塑料復(fù)合扇形散熱器的三維模型，如圖1所示。從圖中可以看出，底部的小圓柱片等效為CPU芯片，材料為金屬銅，尺寸參數(shù)：r=7.5mm，h=1mm。中心圓柱的材料是金屬鋁，與中心圓柱緊密貼合翅片的材料是實(shí)驗(yàn)室所制備的尼龍66/石墨烯導(dǎo)熱復(fù)合材料。表1為CPU散熱系統(tǒng)各部件材料的物性參數(shù)。
圖1
CPU散熱系統(tǒng)各部件材料的物性參數(shù)
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部件 材料 密度/ 熱導(dǎo)率/ 比熱/ （KG/m3） （㎡.℃） J/k g.℃ |
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CPU Cu 8920 397 381 中心圓柱 Al 2700 237 880 散熱翅片 導(dǎo)熱塑料 2000 5 950 |
根據(jù)金屬----導(dǎo)熱塑料復(fù)合散熱器結(jié)構(gòu)的三維模型分析散熱器的四個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對其散熱效果的影響。金屬----導(dǎo)熱塑料復(fù)合扇形散熱器的整體半徑為固定值30mm，D表示散熱器中心鋁制圓柱的直徑，H表示散熱器的整體高度，N表示散熱器翅片的數(shù)量，O表示散熱器翅片的厚度，采用控制變量法研究各參數(shù)對金屬-----導(dǎo)熱塑料復(fù)合散熱器散熱效果的影響。
1） 當(dāng)D=20mm,N=40 ,O=1mm時(shí)，H分別取值15、25、30、35、40、45、50mm。散熱器的最高溫度與整體高度的關(guān)系如圖2所示
圖2
圖3
從圖2中得到，固定其他參數(shù)時(shí)，H在12-14mm范圍內(nèi)，散熱器的最高溫度隨高度的增加而越低，散熱器的高度從15mm增大到25mm時(shí)，最高溫度降低了7.55℃，由此可見，為保證散熱效果高度取值不能太小。當(dāng)H增大到40mm后，繼續(xù)增加高度對散熱器最高溫度幾乎沒有影響，可見存在一個(gè)最佳高度，在此高度下散熱器的最高溫度存在最小值，最佳高度H=40mm。
2） 當(dāng)D=20mm,H=40mm. O=1mm時(shí)，N分別取值40、45、50、55、60、65時(shí)，散熱器的最高溫度與散熱翅片數(shù)量的關(guān)系如圖3所示。
由圖3得到，固定其他參數(shù)時(shí)，散熱器的最高溫度隨翅片數(shù)量的增加呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。散熱翅片的數(shù)量較少時(shí)，散熱器的散熱面積過小，導(dǎo)致散熱效率低下，而散熱翅片的數(shù)量過多，散熱器通道不通暢，大量的熱量累積在翅片之間，這同樣也不利于散熱。因此散熱翅片的數(shù)量存在一個(gè)最佳值，大于或小于都會(huì)影響散熱器的散熱效果，使CPU的溫度值升高，從圖中可以看出，翅片數(shù)量最佳值N=60.
3） 當(dāng)D=20mm，H=40mm，N=60時(shí)，O分別取值0.4、0.6、0.8、1、1.2mm時(shí)，散熱器的最高溫度與散熱翅片厚度的關(guān)系如圖4所示。
圖4
由圖4可以看出，散熱器的最高溫度隨著散熱翅片厚度的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。當(dāng)翅片厚度O =1mm時(shí)，散熱器的散熱效果最好。
前面模擬分析了整體高度、散熱翅片數(shù)量和散熱翅片厚度3種結(jié)構(gòu)參數(shù)對金屬----導(dǎo)熱塑料復(fù)合散熱器散熱效果的影響，得到了最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值，即當(dāng)D=20mm、H=40mm、N=60、O=1mm，散熱翅片為直助時(shí)，散熱器的散熱性能最優(yōu)。在4.2.1中所述載荷的作用下，用該散熱器散熱時(shí)CPU芯片的溫度為58.582℃，與用鋁制散熱器散熱時(shí)CPU芯片的溫度值54.817℃，僅僅相差3.765℃.因散熱翅片材料為導(dǎo)熱塑料，可利用導(dǎo)熱塑料具有很好的設(shè)計(jì)加工性來對金屬-----導(dǎo)熱塑料復(fù)合散熱器進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，通過在翅片設(shè)計(jì)大量的微結(jié)構(gòu)來增大散熱面積，增加散熱效果。文中設(shè)計(jì)了三種微結(jié)構(gòu)，截面形狀分別是等腰三角形、半圓形和正方形，模擬分析翅片帶有這三種微結(jié)構(gòu)時(shí)散熱器的散熱情況。
圖5是散熱翅片上帶有截面為三角形微結(jié)構(gòu)的散熱器模型及微結(jié)構(gòu)放大圖。微結(jié)構(gòu)的尺寸；截面為底邊等于0.2mm、高為0.1mm的等腰三角形，微槽之間的距離為0.4mm。每個(gè)翅片的兩側(cè)各有46條微結(jié)構(gòu)，計(jì)算可知，每一個(gè)散熱翅片的散熱面積大約增加了20%，對該散熱器進(jìn)行散熱分析，網(wǎng)格劃分及模擬結(jié)果見圖6，散熱器的最高溫度為57.544℃，比最優(yōu)結(jié)構(gòu)的金屬---導(dǎo)熱塑料復(fù)合散熱器的最高溫度值58.582℃降低了1.038℃，這說明由微結(jié)構(gòu)多出的散熱面積增強(qiáng)了散熱效果。
圖5
圖6
圖7為散熱翅片上帶有截面為半圓形微結(jié)構(gòu)的散熱器模型及微結(jié)構(gòu)放大圖。微結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品：截面為半徑等于0.1mm的半圓形，微槽之間的間距為0.4mm。每個(gè)翅片的兩側(cè)各有46條微結(jié)構(gòu)，計(jì)算可知，每一個(gè)散熱翅片的散熱面積大約增加了26%，對該散熱器進(jìn)行散熱分析，網(wǎng)格劃分及模擬結(jié)果見圖8，散熱器的最高溫度為57.54℃，比最優(yōu)結(jié)構(gòu)的金屬----導(dǎo)熱塑料復(fù)合散熱器的最高溫度值58.582℃降低了1.042℃、微結(jié)構(gòu)數(shù)量相同時(shí)，截面為半圓形的微結(jié)構(gòu)比三角形的散熱面積略大，CPU芯片的溫度也略低。
圖7
圖8
散熱翅片上帶有截面為正方形微結(jié)構(gòu)的散熱器模型及微結(jié)構(gòu)放大圖見圖9.微結(jié)構(gòu)的尺寸：截面為邊長等于0.1mm的正方形，微槽之間的間距為0.2mm。每個(gè)翅片的兩側(cè)各有92條微結(jié)構(gòu)，計(jì)算可知，每一個(gè)散熱翅片的散熱面積大約增加了92%，對該散熱器進(jìn)行散熱分析，網(wǎng)格劃分及模擬結(jié)果見圖10，散熱器最高溫度為56.768℃，比帶半圓形微結(jié)構(gòu)翅片的散熱器最高溫度降低了0.772℃，這說明由微結(jié)構(gòu)增加的散熱面積越大，散熱器的散熱效果越好。
圖9
圖10
萬瀚塑膠左工提出了一種用于CPU芯片散熱的金屬-----導(dǎo)熱塑料復(fù)合扇形散熱器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將金屬良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)熱塑料比較好的設(shè)計(jì)加工性結(jié)合起來。其中心圓柱為金屬鋁，外層的散熱翅片選用實(shí)驗(yàn)室所制備的導(dǎo)熱塑料，可通過在翅片上設(shè)計(jì)大量的微結(jié)構(gòu)來增大散熱面積，改善散熱效果。分析了各種結(jié)構(gòu)參數(shù)及翅片微結(jié)構(gòu)對散熱器散熱效果的影響，主要結(jié)論如下。
1、散熱器的中心鋁制圓柱直徑D=20mm，整體高度H=40mm，散熱翅片數(shù)量N=60，散熱翅片厚度O=1mm，散熱翅片為直肋時(shí)，散熱器的散熱性能最優(yōu)。載荷的作用下，用該散熱器散熱CPU芯片的溫度僅為58.582℃，與用鋁制散熱器散熱時(shí)的溫度值54.817℃僅僅相差3.765℃，完全可以滿足CPU芯片散熱的需求。
2、在散熱翅片上設(shè)計(jì)了三種微結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明：翅片上帶有微結(jié)構(gòu)的金屬----導(dǎo)熱塑料散熱器的散熱效果和金屬散熱器的散熱效果比較接近，可以滿足CPU芯片的散熱需求，且由微結(jié)構(gòu)增加的散熱面積越大，散熱器的散熱效果越好。
來源：東莞市萬瀚塑膠有限公司
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