隨著計算機科技的快速發展，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出的關鍵部件。目前，主要散熱形式有：風冷散熱、水冷散熱、半導體散熱和熱管散熱。CPU的散熱主要依靠風扇的強制對流帶走散熱翅片上的熱量，其中熱傳導和熱對流是風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熱系數很高的金屬（銅或鋁），而筆者針對這兩個關鍵問題，提出一種金屬----導熱塑料復合的扇形散熱器結構。將金屬良好的導熱性和導熱塑料良好的設計加工性結合起來，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，便于工業化生產。
基于CPU芯片的實際工作情況，對CPU的對流換熱邊界條件的具體參數；CPU的功率為100W,其中發熱功率占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/㎡，冷卻葉片高速的強制對流載荷H=52W/(㎡.℃).
結合實際CPU芯片的散熱器結構，建立了金屬---導熱塑料復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：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驗室所制備的尼龍66/石墨烯導熱復合材料。表1為CPU散熱系統各部件材料的物性參數。
圖1
CPU散熱系統各部件材料的物性參數
部件 材料 密度/ 熱導率/ 比熱/ （KG/m3） （㎡.℃） J/k g.℃ |
CPU Cu 8920 397 381 中心圓柱 Al 2700 237 880 散熱翅片 導熱塑料 2000 5 950 |
根據金屬----導熱塑料復合散熱器結構的三維模型分析散熱器的四個結構參數對其散熱效果的影響。金屬----導熱塑料復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量，O表示散熱器翅片的厚度，采用控制變量法研究各參數對金屬-----導熱塑料復合散熱器散熱效果的影響。
1） 當D=20mm,N=40 ,O=1mm時，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系如圖2所示
圖2
圖3
從圖2中得到，固定其他參數時，H在12-14mm范圍內，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，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H增大到40mm后，繼續增加高度對散熱器最高溫度幾乎沒有影響，可見存在一個最佳高度，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D=20mm,H=40mm. O=1mm時，N分別取值40、45、50、55、60、65時，散熱器的最高溫度與散熱翅片數量的關系如圖3所示。
由圖3得到，固定其他參數時，散熱器的最高溫度隨翅片數量的增加呈現出先減小后增大的趨勢。散熱翅片的數量較少時，散熱器的散熱面積過小，導致散熱效率低下，而散熱翅片的數量過多，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。因此散熱翅片的數量存在一個最佳值，大于或小于都會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，翅片數量最佳值N=60.
3） 當D=20mm，H=40mm，N=60時，O分別取值0.4、0.6、0.8、1、1.2mm時，散熱器的最高溫度與散熱翅片厚度的關系如圖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先減小后增大的趨勢。當翅片厚度O =1mm時，散熱器的散熱效果最好。
前面模擬分析了整體高度、散熱翅片數量和散熱翅片厚度3種結構參數對金屬----導熱塑料復合散熱器散熱效果的影響，得到了最佳的結構參數數值，即當D=20mm、H=40mm、N=60、O=1mm，散熱翅片為直助時，散熱器的散熱性能最優。在4.2.1中所述載荷的作用下，用該散熱器散熱時CPU芯片的溫度為58.582℃，與用鋁制散熱器散熱時CPU芯片的溫度值54.817℃，僅僅相差3.765℃.因散熱翅片材料為導熱塑料，可利用導熱塑料具有很好的設計加工性來對金屬-----導熱塑料復合散熱器進行進一步的優化，通過在翅片設計大量的微結構來增大散熱面積，增加散熱效果。文中設計了三種微結構，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構時散熱器的散熱情況。
圖5是散熱翅片上帶有截面為三角形微結構的散熱器模型及微結構放大圖。微結構的尺寸；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。每個翅片的兩側各有46條微結構，計算可知，每一個散熱翅片的散熱面積大約增加了20%，對該散熱器進行散熱分析，網格劃分及模擬結果見圖6，散熱器的最高溫度為57.544℃，比最優結構的金屬---導熱塑料復合散熱器的最高溫度值58.582℃降低了1.038℃，這說明由微結構多出的散熱面積增強了散熱效果。
圖5
圖6
圖7為散熱翅片上帶有截面為半圓形微結構的散熱器模型及微結構放大圖。微結構的產品：截面為半徑等于0.1mm的半圓形，微槽之間的間距為0.4mm。每個翅片的兩側各有46條微結構，計算可知，每一個散熱翅片的散熱面積大約增加了26%，對該散熱器進行散熱分析，網格劃分及模擬結果見圖8，散熱器的最高溫度為57.54℃，比最優結構的金屬----導熱塑料復合散熱器的最高溫度值58.582℃降低了1.042℃、微結構數量相同時，截面為半圓形的微結構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構的散熱器模型及微結構放大圖見圖9.微結構的尺寸：截面為邊長等于0.1mm的正方形，微槽之間的間距為0.2mm。每個翅片的兩側各有92條微結構，計算可知，每一個散熱翅片的散熱面積大約增加了92%，對該散熱器進行散熱分析，網格劃分及模擬結果見圖10，散熱器最高溫度為56.768℃，比帶半圓形微結構翅片的散熱器最高溫度降低了0.772℃，這說明由微結構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-----導熱塑料復合扇形散熱器結構，該結構將金屬良好的導熱性和導熱塑料比較好的設計加工性結合起來。其中心圓柱為金屬鋁，外層的散熱翅片選用實驗室所制備的導熱塑料，可通過在翅片上設計大量的微結構來增大散熱面積，改善散熱效果。分析了各種結構參數及翅片微結構對散熱器散熱效果的影響，主要結論如下。
1、散熱器的中心鋁制圓柱直徑D=20mm，整體高度H=40mm，散熱翅片數量N=60，散熱翅片厚度O=1mm，散熱翅片為直肋時，散熱器的散熱性能最優。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、在散熱翅片上設計了三種微結構，結果表明：翅片上帶有微結構的金屬----導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，且由微結構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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