基于新型泡沫金属材料的散热器研究

张伊卓++邵悦婷++罗强

摘 要：目前市面上最常见的散热器模组是采用铜和铝合金，而最普遍的散热方式通过热传导方式将热量传输到散热模组，再进行强制对流换热从而达到散热目的。为了提高散热效率，多以提高散热接触面积来实现，如通过铝挤压技术来提高散热器底座的厚度和PIN-FIN比。我们研究采用新型的泡沫金属材料去替换原有的散热器材料，在大幅度的降低散热器的重量的同时，提升散热性能。

关键词：散热器；泡沫金属；泡沫铜

中图分类号：TB657 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）03-0065-01

1 研究背景

目前微电子行业部分设备工作时所产生的热量如果不能及时散热，可能影响设备本身的工作效率，甚至损坏设备。以现在计算机的集成电路为例，高温不但会导致系统运行不稳，使用寿命缩短，甚至有可能使某些部件烧毁，传热模型如下：

该cpu传热模型的总传热热阻R可以用公式来表示：

根据公式（2），热流密度φ一定的条件下，热阻越大的地方就是温差越大的位置。对于cpu散热翅片，温差主要发生在翅片与空气之间（即ΔT5）。这表明散热阻力主要在于空气侧的R5，而非翅片和铝基板内部。所以，有效降低空气与翅片之间的传热热阻是强化cpu模块散热的根本途径。R5可以用公式（3）来计算。

传统形式的换热器的换热面积受制于肋片或翅片的型式。降低翅片厚度、增加其长度和数量是常用强化换热方法。这种方式不仅受到换热器重量和加工方式的的制约，对于cpu散热来说，受限于计算机体积与重量控制。为此，本项目以超常规地增加换热面积为出发点，建议研发一种基于多孔介质的高效轻型散热器。

2 研究方法

如图1所示，本实施例通过利用泡沫铜散热器2具有杂乱无章的多孔超大金属骨架来提升换热面积。

泡沫铜散热器2具体可以根据需要采用孔隙率为95%～99%、平均孔径为0.35～1mm的泡沫铜。本实施例中，泡沫铜散热器2采用的泡沫铜具体为95%，平均孔径为0.5mm。需要说明的是，泡沫铜是一种在铜基体中均匀分布着大量连通或不连通孔洞的新型多功能材料，目前已经是市场上能够购买得到成熟商业产品，其用途一般为用于制备电池负极（载体）材料和电磁屏蔽材料等。

如图1所示，本实施例中泡沫铜散热器2与铝基板1之间设有导热介质层3。本实施例通过在铝基板1的背面涂覆导热介质层3，能够利用导热介质层3优良的导热性能，将cpu单元工作时产生的热量传递给泡沫铜散热器2。本实施例中，导热介质层3具体为导热硅胶层，此外也可以采用其他形式的导热介质。

本实施例的CPU工作模块的工作过程如下：CPU模块单元通电源工作的同时会发热，热量沿着铝基板1背面的导热介质层3被传导给泡沫铜散热器2，由于在工作时泡沫铜散热器2空腔内部的空气受热上升从顶部的表面排出并形成低压，使得泡沫铜散热器2前后左右四个侧面吸入常温空气，补充泡沫铜散热器2空腔内的低压，从而形成持续的空气循环流动将CPU模块单元产生的热量带走，从而降低整个CPU工作模块的温度，一般可保持CPU工作模块的温度保持在50摄氏度左右。由于CPU工作模块的温度被降低，使得CPU模块单元能够保持正常工作

3 研究結果

CPU通过改进新型泡沫铜散热器降温情况明显，采用较高空隙率的多孔介质替代原有金属散热器预期可减少50%以上的金属使用量，即散热器的重量上也将减少50%。考虑散热器的制备工艺和量产条件下，散热器的总体成本粗略估计可控制为原有散热器成本的80%。

4 结语

随着过多高精密仪器的出现，工作所产生的高温往往会影响其设备的工作效率，甚至损坏设备。但是由于工作环境的限制，我们不能单一的增加散热模块的体积来达到散热目的。所以开发以泡沫金属材料作为新型的散热器能够很好的解决这一问题。在部分行业如LED灯行业，提高散热效率，降低散热器体积和成本，不仅仅能够达到节约成本的目的，在降低工作温度 后更能达到更高的工作效率，从而达到节能目的。

参考文献

[1]莫冬传，吕树申，金积德.高热流密度均温板的传热特性实验研究[J].工程热物理学报，2008（02）.