金属-聚合物复合CPU散热器散热 性能的影响因素*

　　随着CPU体积越来越小，频率和集成度大幅提高，高热流密度的产生成了一股不可抗拒的趋势，芯片的冷却问题越来越突出。因此在芯片上加装高性能的散热器将产生的热量散发出去，已成为热力学研究的一个热点。而且随着CPU的不断小型化和功能化，热量集中问题进一步加剧，散热器的性能还有待提高。基于新材料的新型的CPU散热器，因其体积小、散热效率高、成本低等优点，将会市场发展潜力。

　　国内外研究机构对CPU散热器的结构、材料等方面做了大量的研究工作。周建辉等对放射状太阳花式CPU散热器进行了研究，指出流线型CPU散热器散热性能好，但热阻较大4-5.Choi等6设计了一种新型的风扇与方形散热器结合的CPU散热结构。Deng等。王宏伟等对材料为铝泡沫的CPU散热器进行了研究，指出与普通散热器相比，铝泡沫散热器热阻降低超过70.张娜等提出一种采用金属圆柱和聚合物微结构翅片复合的CPU散热器，并对其结构参数进行了优化。尽管对CPU散热器散热的研究不断深入，但是目前市场存在的金属CPU散热器，由于其金属的导热系数较高，使热源导出的热量远远大于翅片散出热量，产生热量堆积，严重制约着散热器的散热效率。金属-聚合物复合式CPU散热器，是利用金属较好的导热性能来实现高效热量导出和聚合物微结构较好的散热性能来实现高效热量散出，终获得热量从热源到环境的热量传递平衡，但目前对此方面的研究报道很少。

　　文章基于金属导热和聚合物微结构散热的热力学平衡原理，建立了平直式CPU散热器模型，采用数值模拟的方法，研究了不同的翅片材料和聚合物翅片表面微结构的CPU散热器的基金项目：国家自然科学基金青年科学基金（51203010）；有机无机复合材料国家重点。该散热器通过金属基底吸收并将热量传递到金属翅片基板上，进而热量通过金属翅片基板传递到聚合物翅片表面，后通过聚合物翅片表面散发到环境中。该散热器通过复合式翅片的金属基板导热和复合式翅片的聚合物结构散热的方式，使得导热量与散热量达到平衡状态。表1为复合式散热器的尺寸参数。

　　复合式翅：二合结二金属基底热源CPU散热器的结构示意图表1散热器的尺寸参数参数数值翅片数量翅片间距/mm翅片长度/mm基板长、宽、高/mm翅片高度/mm 1.2散热器的散热机理及数学方程计算机CPU工作时产生的热量，除少部分通过环境直接散发到外部空气中外，80以上是通过金属基底热传导到外部散热器，再由散热器的翅片通过对流换热和热辐射传导至外部空气。CPU的散热途径为：CPU―金属基底―散热器―外部环境，热传递过程包括热传导、对流传热和热辐射。

　　1.2.1热传导平直式散热器的热传导过程可简化为一维导热问题，即热量仅沿着某一个方向变化，可以采用傅里叶导热公式计算热传导量少和热流密度q.少=-XA参1.2.2对流传热利用牛顿冷却公式计算对流传热的热流密度0'如下。

　　2.3热辐射对于散热器翅片，如果其材料的吸收率较大、翅片间距较小，则翅片可以看作黑体，翅片间的辐射换热量0"可以用如下公式计算：物复合式翅片翅片高度分别为20、30、40、50、60瓜瓜。聚合物材料分别选择为聚苯硫醚（PPS）、尼龙（PA）、和聚丙烯（PP）3种材料，材料物性参数见表2，对金属-聚合物复合式CPU散热和金属CPU散热器分别进行了热力学模拟计算，得到不同散热器的热源温度变化曲线，如所示。为不同翅片材料的散热器热源温度与热源功率的关系曲线图。

　　表2材料的物性参数材料导热系数/比热/密度/辐射率2.1.1翅片高度热源温度随着加热功率的变化曲线。由可知，在加热功率相同时，4种散热器热源温度都随着翅片高度的增加，先降低后升高；对于金属散热器和金属-PPS复合式散热器，当翅片高度为50mm时散热性能均达到好，在热源功率为60W时，热源温度分别为46.55、7.28尤。金属-PA复合式散热器与金属-PP复合式散热器，当翅片高度为40mm时散热性能好，热源温度分别为49.71、50.95尤。因为在一定翅片高度范围之内，随着翅片高度的增加可以增加散热器的面积，从而可以提高散热器的散热性能。然而，当翅片高度增加到一定值（40、50mm）时，虽然增加翅片高度增加了表面积，但是高度增大会增加流体流经翅片表面时的阻力，从而使对流换热系数减小。

　　1.2翅片材料在相同翅片高度下，金属散热器的散热性能较好，其次是金属-PPS复合式散热器，但散热性能差别不大。当翅片高度为50mm，功率为60W时，它们的温差仅为0. 73T：。因为聚合物的厚度只有0.3mm，翅片材料采用金属-聚合物复合时，热量通过复合式翅片的金属基板传递到聚合物结构表面，再由聚合物结构表面散发出去，此结构可通过金属的导热和聚合物的高辐射系数来弥补聚合物的导热能力不足。

　　2.1.3材料导热系数在较小加热功率与翅片高度时，金属-聚合物复合式散热器与金属散热器的热源温度比较接近，均在35~38T：之间。当（a）翅片材料为铝6061：（b）翅片材料为铝6061~PPS复合：（c）翅片材料为铝6061~PA复合：（d）翅片材料为铝6061~PP复合。

　　不同翅片材料的散热器热源温度与功率的关系曲线加热功率为20W，翅片高度为20mm时，金属-PPS复合式散热器、金属-PA复合式散热器、金属-PP复合式散热器与金属散热器的温度差分别为0.22、。

　　但是随着加热功率和翅片高度的增加，热源温度之差增大。

　　当加热功率与翅片高度分别为60W、60mm时，复合式散热器与金属散热器的温度差分别为1.16、3. 80、。18尤，且均小于6尤。但聚合物导热系从PP的0.25WKmk）提高到PPS的20WKmk），温差明显减小。这说明功率较大且翅片高度较高时，提高聚合物的导热系数，可以改善金属-聚合物复合式散热器的散热性能。

　　2.2辐射系数对金属-聚合物CPU散热器散热性能的影响k）、翅片高度与加热功率分别为40mm、60W时，将翅片的辐射系数，设置为0.2、。

　　4、0.6、。8、。0，得到不同辐射系数下，热源的温度曲线图，如所示。

　　温度随着辐射系数的变化曲线和1.0时，热源的平均温度分别为49. 6、47.81尤，热源温度减低了1.79尤。计算结果表明：在一定的范围之内，增加聚合物的辐射系数可以改善CPU散热器的散热性能。

　　从上述研究可以发现，尽管金属-聚合物复合式CPU散热器的散热性能与金属CPU散热器的散热性能还存在定的差别，但温差较小。

　　2.3翅片聚合物微结构对金属-聚合物CPU散热器散热性能的影响为了进步提高金属-聚合物复合式CPU散热器的散热性能，在聚合物结构表面上制备出不同的微结构，其目的是增加散热器的散热面积，提高表体比（表面积和体积比），从而提高散热器的散热性能，并对这几种散热器进行研究分析。

　　微结构形状包括三棱柱微结构和矩形微结构。考虑到散热器的对称性，同时为了节省计算时间，建立了金属-聚合物微结构复合式CPU散热器的1/4几何模型，如示。翅片高度为30mm，加热功率为20W时，模拟得到的散热器温度云图，如图（a）散热器模型图；（b）矩形微结构复合式翅片；（c）三棱柱微结构复合式翅片。

　　1-风扇的简化模型；2-复合式翅片；3-金属基底；4-热源；5-金属基板；由可知，随着聚合物辐射系数的增加，金属-聚合物CPU散热器的热源温度不断减低；当聚合物的辐射系数为0. 6-矩形微结构翅片；7-三棱柱微结构翅片。

　　翅片具有聚合物微结构的散热器几何模型比较~8，可以看出聚合物矩形微结构的金属-聚合物复合CPU散热器的热源温度低，为42.07，其散热性能稍微优于金属CPU散热器的散热性能，金属CPU散热器的热源温度为42.20.此时，金属-聚合物复合微结构散热器可以取代金属散热器用于CPU散热器上。从可以看出，金属-聚合物复合微结构（矩形微结构）CPU散热器的温度分布比较均匀。这是因为，矩形微结构的存在增加了散热面积和提高了散热器的对流换热系数。聚合物翅片上具有矩形微结构的金属-聚合物复合CPU散热器（热源温度为42.07）的散热性能优于聚合物翅片上具有三棱柱微结构的金属-聚合物复合CPU散热器（热源温度为42.49）的散热性能。

　　温度DC金属散热器的温度云图金属-聚合物复合CPU散热器（无微结构）的温度云图金属-聚合物复合微结构（三棱柱微结构）CPU散热器的温度云图金属-聚合物复合微结构（矩形微结构）CPU散热器的温度云结论文章建立了一种新型金属-聚合物CPU散热器模型，并采用模拟的方法研究了不同翅片材料和翅片结构的CPU散热器的散热性能，主要结论如下：金属-聚合物复合CPU散热器可以达到与金属铝CPU散热器相当的散热性能，当其翅片高度均为40mm时，两者的温度差仅为0.87T；加热功率和翅片高度较高时，聚合物的导热系数的提高，可使金属-聚合物复合式散热器的散热性能得到改善。翅片高度和翅片功率分别为60mm和60W时，金属-PPS复合式散热器、金属-PP复合式散热器的热源温度与金属散热器的温度差分别仅为1.16、5.18t；增加聚合物辐射系数改善了金属-聚合物复合式散热器的散热性能，当聚合物的辐射系数从0.2变为1.0时，热源温度降低了1.79T；金属-聚合物复合微结构（矩形微结构）CPU散热器的散热性能优于金属CPU散热器的散热性能。此时，金属-聚合物复合微结构散热器可以取代金属散热器，并用于CPU散热器上。