عملية تصنيع المشتت الحراري ومبرد وحدة المعالجة المركزية ومبدأ العمل

الحرارة المنبعثة من نواة وحدة المعالجة المركزية إلى سطحتقليل الحرارةعملية توصيل حراري. بالنسبة لقاعدة المشتت الحراري، ونظرًا لاتصالها المباشر بمصدر حرارة صغير ذي حرارة عالية، فإنها تتطلب أن تكون القاعدة قادرة على تبديد الحرارة بسرعة. يساعد استخدام مواد ذات موصلية حرارية أعلى في مشتتات الحرارة على تحسين كفاءة التوصيل الحراري. من خلال جدول مقارنة أنظمة التوصيل الحراري، يمكن ملاحظة أن الموصلية الحرارية للألمنيوم 237 واط/متر كلفن، والموصلية الحرارية للنحاس 401 واط/متر كلفن. عند مقارنة نفس حجم المبرد، نجد أن وزن النحاس ثلاثة أضعاف وزن الألومنيوم، بينما تبلغ الحرارة النوعية للألمنيوم 2.3 ضعف فقط من النحاس، لذا فإن مبرد النحاس بنفس الحجم يمكنه الاحتفاظ بحرارة أكبر من مبرد الألومنيوم، مع تسخين أبطأ. مع نفس سمك قاعدة المبرد، لا يستطيع النحاس فقط سحب مصدر الحرارة بسرعة، مثل درجة حرارة شريحة وحدة المعالجة المركزية، بل إن ارتفاع درجة حرارته أبطأ من مبرد الألومنيوم. لذلك، يُعد النحاس أكثر ملاءمة لقاعدة المشتت الحراري.

ومع ذلك، يُعدّ دمج هذين المعدنين أكثر صعوبة، فالتقارب بين النحاس والألومنيوم ضعيف، وإذا لم يُعالَج المفصل جيدًا، فسيُنتج مقاومة حرارية كبيرة للواجهة (أي المقاومة الحرارية بين المعدنين بسبب عدم كفاية التلامس). في التصميم والتصنيع الفعليين، يسعى المُصنِّعون دائمًا إلى تقليل المقاومة الحرارية للواجهة قدر الإمكان لتجنب أوجه القصور، والتي غالبًا ما تعكس أيضًا قدرات التصميم وعملية التصنيع الخاصة بالمُصنِّع.

تشمل عمليات ربط النحاس والألومنيوم الشائعة ما يلي:

ربط السيخ

لحام العصا هو استخدام نقطة انصهار أعلى من نقطة انصهار المادة الأساسية للمادة المعدنية كلحام. في درجة حرارة أقل من نقطة انصهار المادة الأساسية وأعلى من نقطة انصهار اللحام، يتم استخدام اللحام السائل لترطيب المادة الأساسية، وملء الفجوة بين المفاصل، ثم التكثيف لتشكيل واجهة وصلة صلبة لطريقة اللحام. العمليات الرئيسية هي: المعالجة المسبقة للمواد، والتجميع، والتسخين واللحام، والتبريد، والمعالجة اللاحقة وما إلى ذلك. لحام السيخ المستخدم بشكل شائع هو لحام سيخ القصدير، حيث يشكل سطح الألومنيوم في الهواء طبقة مستقرة جدًا من أكسيد (AL2O3)، بحيث تكون صعوبة لحام النحاس والألومنيوم أعلى، وهي أكبر عقبة أمام اللحام. يجب إزالته أو إزالته كيميائيًا وطلائه بطبقة من النيكل أو أي معدن آخر سهل اللحام، بحيث يمكن لحام النحاس والألومنيوم معًا بسلاسة.

القاعدة النحاسية الموجودة على المشتت الحراري مخصصة للتوصيل الحراري، الأمر الذي لا يتطلب قوة ميكانيكية فحسب، بل والأهم من ذلك، مساحة لحام كبيرة (يجب أن يكون معدل اللحام مرتفعًا) من أجل تعزيز أداء تبديد الحرارة بشكل فعال، وإلا فلن يؤدي ذلك إلى تعزيز أداء تبديد الحرارة فحسب، بل سيجعله أيضًا أسوأ من المشتت الحراري المصنوع من سبائك الألومنيوم بالكامل.

SMD وقفل المسمار

عملية الرقعة عبارة عن صفيحة نحاسية رقيقة تُربط ببراغي وسطح سفلي من الألومنيوم، والغرض الرئيسي منها هو زيادة قدرة المشتت الحراري على امتصاص الحرارة بشكل فوري، وإطالة عمر بعض تصميماته المتطورة من المشتت الحراري المصنوع من الألومنيوم الخالص. بعد الاختبارات، تبيّن أن: استخدام وسط موصل حراري عالي الأداء بين قاع المشتت الحراري المصنوع من الألومنيوم وكتلة النحاس، وتطبيق قوة ضغط مقدارها 80 كجم/قوة دافعة باستخدام براغي لتثبيته، يُضاهي تأثير تبديد الحرارة، بالإضافة إلى تأثير لحام النحاس والألومنيوم، مما يُحقق الكفاءة الحرارية المتوقعة.

هذه الطريقة أبسط من اللحام، وتتميز بجودة مستقرة، وسهولة في العملية، وتكلفة أقل في المعدات من اللحام، ولكنها تُعدّ تحسينًا فقط، لذا فإن تحسن الأداء ليس واضحًا. على الرغم من ملئها بالمعجون الحراري، إلا أن عدم اكتمال التلامس بين صفيحة النحاس وقاعدة الألومنيوم لا يزال يُمثل أكبر عائق أمام نقل الحرارة.

العمليات الرئيسية للتصنيع هي: قطع صفائح النحاس، المعايرة (التسطيح أقل من 0.1 مم، الحفر، تطبيق الحفر بالوسط الموصل للحرارة، النقر، التنظيف، برنامج الضغط المسبق القوي، عملية القفل على مرحلتين، مسامير قفل عزم الدوران الثابتة.

تركز عملية التصحيح على التحكم في تسطيح وخشونة النحاس والألومنيوم، وعزم دوران برغي القفل، وعوامل أخرى، لتحقيق كفاءة معينة، وهي طريقة جيدة لدمج النحاس والألومنيوم. إذا كان أداء الوسيط الموصل للحرارة المستخدم ضعيفًا، أو تسطيح كتلة النحاس ضعيفًا، فلن تنتقل الحرارة بسلاسة إلى سطح المشتت الحراري المصنوع من الألومنيوم، مما يقلل بشكل كبير من تأثير تبديد الحرارة. بالإضافة إلى ذلك، تُعدّ قوة قفل البراغي وقلة نقاء مادة النحاس عوامل مؤثرة غير مرغوب فيها.

سدادة نحاسية نحاس مدمج

هناك طريقتان رئيسيتان لإدخال النحاس، إحداهما هي تضمين النحاس في لوحة قاعدة الألومنيوم، وهي شائعة في المشعات المصنوعة بعملية بثق الألومنيوم. نظرًا للسمك المحدود لقاع مشعات الألومنيوم، فإن حجم النحاس المضمن يكون محدودًا. الغرض الرئيسي من زيادة صفيحة النحاس هو تعزيز قدرة المشعات على امتصاص الحرارة اللحظية، كما أن التلامس مع مشعات الألومنيوم محدود للغاية، لذلك في معظم الأحيان، لا يكون هذا النوع من مشعات النحاس والألومنيوم أفضل بكثير من مشعات الألومنيوم، وفي حالة ضعف التلامس، سيمنع حتى تبديد الحرارة. يوجد أيضًا مشعات من الألومنيوم مع أعمدة نحاسية مدمجة في زعانف شعاعية، وهو تصميم مشعات Intel الأصلية. أعمدة النحاس أكبر ولديها اتصال أكبر مع المشعات. مع استخدام أعمدة النحاس، يمكن تحسين السعة الحرارية وامتصاص الحرارة اللحظي للمشتت الحراري. يستخدم هذا التصميم أيضًا بشكل أكبر من قبل مصنعي المعدات الأصلية.