扦焊是采用熔點比母材熔點低的金屬材料作為焊料,在低于母材熔點而高于焊料熔點的溫度下,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..
常見的銅鋁結(jié)合工藝包括:
扦焊
扦焊是采用熔點比母材熔點低的金屬材料作為焊料,在低于母材熔點而高于焊料熔點的溫度下,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行熱的傳導(dǎo),要求的不僅是機械強度,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,否則不斷不會提升散熱效能,反而會使其比全鋁合金的散熱片更加糟糕。
貼片、螺絲鎖合
貼片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,延長一部分本身設(shè)計成熟的純鋁散熱器的生命周期。經(jīng)過測試發(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),同樣達到了預(yù)計的散熱效能提升幅度。
這種方法較焊接簡單, 而且品質(zhì)穩(wěn)定,制程簡單,投入設(shè)備成本較焊接低,不過只是作為改進,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(平面度小于0.1mm、鉆孔、涂抹導(dǎo)熱介質(zhì)鉆孔、攻牙、清洗、強力預(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。
塞銅 嵌銅
塞銅方式主要有兩種,一種是將銅片嵌入鋁制底板中,常見于用鋁擠壓工藝制造的散熱器中。由于鋁制散熱器底部的厚度有限,嵌入銅片的體積也受到限制。增加銅片的主要目的是加強散熱器的瞬間吸熱能力,而且與鋁制散熱器的接觸也很有限,所以大多數(shù)情況下,這種銅鋁散熱器比鋁制散熱器的效果好不了多少,在接觸不良的情況下,甚至為妨礙散熱。還有一種是將銅柱嵌入鰭片呈放射狀的鋁制散熱器中。Intel原裝散熱器就是采用了這樣的設(shè)計。銅柱的體積較大,與散熱器的接觸較為充分。采用銅柱后,散熱器的熱容量和瞬間吸熱能力都能增長。這種設(shè)計也是目前OEM采用較多的。
比較少見的三角底座
塞銅工藝在制造中一般通過如下方式實現(xiàn):
機械式壓合
機械式壓合方式是將一塊直徑尺寸大于鋁孔徑的銅塊,通過機械的方式,將其壓合在一起,因為鋁有延展性,所以銅可以在常溫下與鋁質(zhì)散熱片結(jié)合,這種方式的結(jié)合的效果也是比較可觀,但有一個致命的缺點就是銅在被擠壓進入鋁孔的過程中,鋁孔內(nèi)表面容易被銅刮傷,嚴(yán)重影響熱的傳導(dǎo)。這要通過合理搭配過盈量以及優(yōu)化設(shè)計銅塊的形狀來避免此類問題的產(chǎn)生。
熱脹冷縮結(jié)合
在鋁的散熱片底部加工一個直徑ψ=D1的圓孔,另外做一個直徑ψ=D1+0.1MM 的銅柱,利用金屬材料的熱脹冷縮特點,將鋁質(zhì)散熱片加熱至400℃,其受熱膨脹圓孔直徑擴張至D1+0.2MM以上。利用專門機器在高溫下將常溫(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。
但要注意銅柱和圓孔的直徑尺寸及表面粗糙度的品質(zhì)控制,這些會對其散熱效果有一定的影響。
在經(jīng)過塞銅工藝處理后,散熱器底面往往還要經(jīng)過“銑”和“磨”處理。銑工藝針對塞銅處理中的銅芯。磨工藝則針對整個散熱片底部進行磨平處理。
鍛造工藝(冷鍛)
鍛造工藝主要由ALPHA公司掌握,其是在金屬的特殊物理狀態(tài)(降伏狀態(tài))下用高壓將其壓入鍛造模具,并在模具上預(yù)置銅塊,塞入降伏態(tài)的鋁中。由于降伏態(tài)時鋁的特殊性質(zhì)(非液態(tài),柔軟,易于加工),銅和鋁可以完美的結(jié)合,達到中間無空隙,介面熱阻很小。鍛造工藝難度大,成本高,所以成品價格高昂,屬于非主流產(chǎn)品。采用這種工藝的散熱片一般都帶有許多密密麻麻的針狀鰭片。這種工藝制造的散熱片樣式豐富,設(shè)計的想象空間較大,但成本也相對較高。