-
Русский
- sc@bquq.cn
I. Введение
В сегодняшнем мире, когда технологический процесс производства чипов непрерывно приближается к физическим пределам, скорость роста плотности теплового потока на единицу площади полупроводниковых приборов превышает несущую способность традиционных архитектур охлаждения. Когда плотность транзисторов растёт со скоростью закона Мура, технологии терморегулирования, похоже, развиваются совершенно в ином темпе. Этот дисбаланс превращает «отвод тепла» из вспомогательной инженерной задачи в стратегическое узкое место, сдерживающее развитие всей электронной отрасли.
Металлические радиаторы — эти, казалось бы, заурядные изделия из металла, помеченные ярлыком «традиционное производство», — находятся в центре этой революции терморегулирования. От SoC смартфонов в потребительской электронике до силовых модулей преобразователей частоты в промышленности и до терморегулирования стоек с потребляемой мощностью свыше ста киловатт в центрах обработки данных ИИ — выбор материалов, конструкция и технология изготовления радиаторов повсюду глубоко преобразуют базовую логику всей цепочки производства терморегулирующих решений. В данной статье проводится системный углублённый анализ технологической системы высококлассных металлических радиаторов по шести направлениям: материаловедение, технологии производства, термодинамическое проектирование, технологии теплового моделирования, области применения и рыночные тенденции.
II. Система материалов: от металла кматериальному
2.1 Спектр характеристик теплопроводящих металлических материалов
Основой характеристик металлических радиаторов является выбор теплопроводящего материала. Помимо золотого правила распространения электромагнитных волн, инженеры по охлаждению следуют простому и суровому физическому закону — закону теплопроводности Фурье. Согласно этому закону, коэффициент теплопроводности материала (λ, Вт/(м·К)) напрямую определяет его способность передавать тепло за единицу времени.
Медь и алюминий образуют «двойную звезду» материалов для металлических радиаторов. Коэффициент теплопроводности меди высокой чистоты (техническая чистая медь) составляет около 400 Вт/(м·К), уступая только серебру, и является одним из инженерных металлов с наиболее выдающейся теплопроводностью. Преимущество меди не только в теплопроводности, но и в превосходной пластичности и свариваемости — это позволяет таким двухфазным теплопередающим устройствам, как тепловые трубки и испарительные камеры, использовать медные трубки в качестве корпуса для эффективного цикла фазового перехода. Однако плотность меди составляет около 8,9 г/см³, что более чем в три раза превышает плотность алюминия, а цена значительно выше; более того, в атмосферных условиях поверхность меди легко окисляется с образованием слоя оксида меди/закиси меди, который не только темнеет внешне, но, что важнее, его теплопроводность падает более чем на порядок по сравнению с чистой медью, что значительно ухудшает эффективность теплопередачи на границе раздела.
В отличие от меди, алюминиевые сплавы завоевали доминирующее положение на рынке благодаря совокупной экономической эффективности. Алюминиевый сплав 6063-T5, сочетая технологичность экструзии и механическую прочность, поддерживает коэффициент теплопроводности на уровне около 200–237 Вт/(м·К). Плотность алюминия составляет всего 2,7 г/см³, примерно треть плотности меди, что придаёт алюминиевым сплавам незаменимое преимущество в областях, высокочувствительных к весу, — мобильные устройства, авионика и новые энергетические транспортные средства. Анодирование поверхности позволяет сформировать плотную и коррозионностойкую оксидную плёнку, а специальная технология чёрного анодирования повышает излучательную способность поверхности с уровня 0,1–0,2 до более 0,85, улучшая эффективность радиационного охлаждения.
Однако ограничения алюминиевой экструзии также весьма существенны: из-за ограничений текучести алюминия в процессе экструзии отношение толщины рёбер к их высоте (то есть удлинение) имеет верхний предел около 1:18–1:20, что означает, что даже при использовании самых передовых экструзионных пресс-форм невозможно добиться бесконечно плотного расположения рёбер в ограниченной высоте.
2.2 Передовые материалы: графен, углеродные материалы и композитные структуры
Теплопроводящая способность традиционных металлических материалов приближается к своему физическому пределу. На этом фоне выделяются передовые углеродные материалы. Теоретическая внутриплоскостная теплопроводность графена достигает 5300 Вт/(м·К), что примерно в 13 раз больше, чем у меди, и более чем в 20 раз — чем у алюминия. Однако в реальной инженерии затраты на крупномасштабное производство однослойного графена и проблемы надёжности удерживают его сегодня главным образом на уровне флагманских смартфонов и лабораторных образцов. На более прагматичном пути коммерциализации графен уже продемонстрировал реальную ценность в форме «композитных материалов». Экспериментальные данные показывают, что композитный материал, полученный добавлением определённой доли графена в алюминиевый радиатор, при прочих равных условиях обеспечивает снижение температуры на 3–5 °C по сравнению с чистым алюминиевым сплавом, а удельная стоимость производства может быть даже ниже, чем у традиционных алюминиевых изделий.
Коммерциализация искусственных графитовых плёнок является более зрелой. Графитовые терморассеивающие плёнки, получаемые высокотемпературной графитизацией плёнок полиимида (PI), имеют внутриплоскостную теплопроводность свыше 1500 Вт/(м·К) при толщине вплоть до 0,01 мм и в настоящее время широко применяются внутри смартфонов и планшетов для быстрого двумерного распределения тепла.
В реальном проектировании изделий один материал часто не может одновременно удовлетворить четырём требованиям: «высокая теплопередача, низкое термическое сопротивление контакта, лёгкость, низкая стоимость», поэтому многоматериальные композитные решения становятся основным направлением. Медно-алюминиевые композитные радиаторы — технология вставки меди, при которой в основание алюминиевого экструзионного профиля встраивается медный блок или медная пластина, — с одной стороны, используют высокую теплопроводность меди для быстрого распространения пикового тепла чипа из локальной зоны по всему основанию, а с другой — используют лёгкость и гибкость формовки алюминия для создания рёбер охлаждения, достигая золотого баланса между стоимостью, весом и производительностью.
III. Прецизионные технологии производства: технологический скачок от «экструзии» к «резанию»
Ценность конструкции радиатора по сути проявляется в пути механического распределения его материала. Одинаковые материалы и чертежи, преобразованные различными технологиями производства, могут дать характеристики охлаждения, различающиеся более чем на 30%. Ниже последовательно рассмотрены ключевые технологические пути.
Алюминиевая экструзия: это наиболее дешёвый и наиболее широко применяемый метод массового производства радиаторов. Алюминиевый слиток нагревается до 520–540 °C, под высоким давлением пропускается через экструзионную матрицу из инструментальной стали, быстро охлаждается и затвердевает на выходе из фильеры, образуя заготовку радиатора с непрерывной параллельной рёберной структурой. Преимущества — контролируемая стоимость пресс-формы, низкая себестоимость единицы продукции, пригодность для крупносерийного производства. Однако, как упоминалось выше, удлинение ограничено, что затрудняет получение достаточной площади охлаждения в случаях высокой плотности мощности и делает метод неэффективным при работе с чипами с высоким TDP.
Фрезерование рёбер (также называемое прецизионным резанием или строганием): это технологический путь, который на уровне процесса «подталкивает» верхний предел алюминиевой экструзии. Технология фрезерования рёбер использует высокоточное строгальное оборудование для резания цельной металлической заготовки, формируя сверхтонкие рёбра с шагом до 0,5 мм и толщиной до 0,3 мм. Поскольку рёбра охлаждения и основание формуются как единое целое, отсутствуют какие-либо паяные или вставные границы раздела, поэтому радиаторы с фрезерованными рёбрами полностью устраняют контактное термическое сопротивление. Измеренные данные показывают, что при одинаковом объёме термическое сопротивление радиатора с фрезерованными рёбрами на 15–20% ниже, чем у радиатора с вставными рёбрами, а площадь охлаждения в 3–5 раз больше, чем у традиционного профильного радиатора. В настоящее время эта технология уже нашла серийное применение в AAU базовых станций 5G, модулях управления новых энергетических транспортных средств и высокомощном промышленном освещении.
Литьё под давлением: технология литья под давлением расплавляет алюминиевый слиток в жидкость, которая с высокой скоростью и под высоким давлением заполняет прецизионную металлическую форму и за один цикл формуется на машине литья под давлением. Процесс литья под давлением позволяет создавать сложные трёхмерные геометрические формы, трудно обрабатываемые традиционной экструзией (например, фасонные корпуса, интегрированные охлаждающие конструкции с монтажными отверстиями и установочными бобышками), и обладает хорошей серийнопригодностью при контролируемой стоимости единицы продукции. Однако первоначальные затраты на разработку пресс-формы высоки — от сотен тысяч до нескольких миллионов юаней, — а срок разработки довольно длительный; кроме того, в процессе заполнения расплава могут возникать литейные дефекты, такие как поры и спаи, влияющие на механическую прочность и локальную равномерность теплопроводности.
Ковка: алюминиевые сплавы с повышенным содержанием алюминия формуются в пресс-форме под чрезвычайно высоким давлением (горячая или холодная ковка). Ковка позволяет уплотнить и ориентировать внутреннюю зеренную структуру материала радиатора, обеспечивая более высокую прочность на растяжение, меньшую шероховатость поверхности и однородность материала; изделия имеют рёберную структуру с высоким соотношением высоты к ширине. Однако стойкость пресс-форм невелика, а удельная стоимость значительно выше, чем у экструзии, поэтому в настоящее время метод применяется главным образом в специфических сценариях с чрезвычайно высокими требованиями к механическим и теплопроводящим свойствам.
Прецизионная обработка на станках с ЧПУ: на этапе чистовой обработки пятиосевые обрабатывающие центры с ЧПУ выполняют шлифовку и полировку нижней плоскости радиатора, сверление и нарезание резьбы в монтажных отверстиях, а также гравировку любых сложных технологических элементов. Точность достигает микронного уровня, плоскостность может контролироваться в пределах 0,1 мм, допуск шага рёбер — ±0,05 мм. Однако скорость съёма материала в единицу времени низкая, стоимость обработки значительно выше, поэтому обычно используется только для мелкосерийных задач с высокими требованиями в аэрокосмической отрасли и точном приборостроении.
С макроскопической точки зрения производительности и стоимости можно выделить примерную градацию: решения на основе алюминиевой экструзии, литья под давлением и вставных клёпаных конструкций занимают основной рынок низкой и средней плотности мощности; фрезерование рёбер и ковка обслуживают промышленное и телекоммуникационное оборудование с высокой плотностью мощности и потребностью в сверхтонких высокоплотных рёберных группах; а цельноформованная прецизионная обработка на ЧПУ — это «эксклюзивная конфигурация» для научно-исследовательского уровня или передового военного применения.
IV. Термодинамическое проектирование: рёбра, термическое сопротивление, воздушные каналы и CFD-моделирование
4.1 Ключевые термодинамические параметры радиатора
Проектирование любого радиатора по сути является решением трёх взаимосвязанных дифференциальных уравнений теплопередачи: теплопроводности (через металлическое тело), конвективного теплообмена (отвод тепла с поверхности рёбер через текучую среду) и радиационного теплообмена (обычно относительно малая доля, около 10–20%). В этой физической архитектуре существует несколько ключевых инженерных параметров, определяющих производительность:
Термическое сопротивление (Rθ, единица °C/Вт) — это «первичный показатель» для отбора и проектирования радиаторов инженерами по электронному охлаждению. Тепловой путь от температуры перехода чипа до температуры окружающей среды может быть смоделирован последовательно-параллельной сетью термических сопротивлений. Качественный радиатор должен минимизировать собственное конвективное термическое сопротивление. В условиях естественного охлаждения термическое сопротивление может быть менее 3 °C/Вт; при принудительном воздушном охлаждении (с вентилятором) передовой отраслевой уровень термического сопротивления достигает менее 0,5 °C/Вт.
