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01
Herstellungsprozess und Prinzip des Kühlkörper-CPU-Kühlers
15.10.2024
Wärme, die vom CPU-Kern auf die Oberfläche desKühlkörperist ein Wärmeleitungsprozess. Da die Basis des Kühlkörpers in direktem Kontakt mit einer kleinen, sehr heißen Wärmequelle steht, muss sie die Wärme schnell ableiten können. Die Verwendung von Materialien mit höherer Wärmeleitfähigkeit für Kühlkörper trägt dazu bei, die Effizienz der Wärmeleitung zu verbessern. Aus der Vergleichstabelle der Wärmeleitungssysteme geht hervor, dass die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium 237 W/mK und die von Kupfer 401 W/mK beträgt. Bei gleichem Volumen des Kühlers wiegt Kupfer dreimal so viel wie Aluminium, während die spezifische Wärmekapazität von Aluminium nur 2,3 mal so hoch ist wie die von Kupfer. Daher kann ein Kupferkühler bei gleichem Volumen mehr Wärme speichern als ein Aluminiumkühler und erwärmt sich langsamer. Bei gleicher Dicke der Kühlerbasis kann Kupfer nicht nur Wärmequellen wie die Temperatur des CPU-Chips schnell ableiten, sondern erwärmt sich auch langsamer als ein Aluminiumkühlkörper. Deshalb eignet sich Kupfer besser für die Basis eines Kühlkörpers.
Die Verbindung dieser beiden Metalle gestaltet sich jedoch schwieriger, da Kupfer und Aluminium eine schlechte Affinität aufweisen. Bei unsachgemäßer Handhabung der Verbindung entsteht ein hoher Wärmewiderstand an der Grenzfläche (d. h. der Wärmewiderstand zwischen den beiden Metallen aufgrund unzureichenden Kontakts). Bei der Konstruktion und Fertigung versuchen Hersteller stets, den Wärmewiderstand an der Grenzfläche so weit wie möglich zu reduzieren, um Mängel zu vermeiden. Dies spiegelt oft auch die Konstruktionsfähigkeiten und den Fertigungsprozess des Herstellers wider.
Zu den gängigen Kupfer- und Aluminiumverbindungsverfahren gehören:
Spießverklebung
Beim Stabschweißen wird als Lot ein metallisches Material verwendet, dessen Schmelzpunkt unter dem des Grundmaterials liegt. Bei einer Temperatur, die niedriger als der Schmelzpunkt des Grundmaterials und höher als der Schmelzpunkt des Lots ist, wird das Grundmaterial mit flüssigem Lot benetzt, der Spalt zwischen den Verbindungen gefüllt und anschließend kondensiert, um eine feste Verbindungsfläche des Schweißverfahrens zu bilden. Die Hauptprozesse sind: Materialvorbehandlung, Zusammenbau, Erhitzen und Schweißen, Abkühlen, Nachbehandlung usw. Ein häufig verwendetes Spießschweißverfahren ist das Zinnspießschweißen. Auf der Aluminiumoberfläche bildet sich an der Luft eine sehr stabile Oxidschicht (AL2O3), wodurch das Schweißen von Kupfer und Aluminium schwieriger wird und das größte Hindernis beim Schweißen darstellt. Die Schicht muss entfernt oder chemisch entfernt und mit einer Schicht aus Nickel oder einem anderen leicht zu schweißenden Metall überzogen werden, damit Kupfer und Aluminium reibungslos miteinander verschweißt werden können.
Die Kupferbasis des Kühlkörpers dient der Wärmeleitung. Dafür ist nicht nur mechanische Festigkeit erforderlich, sondern vor allem eine große Lötfläche (die Lötrate sollte hoch sein), um die Wärmeableitungsleistung wirksam zu verbessern. Andernfalls wird die Wärmeableitungsleistung nicht nur nicht verbessert, sondern ist sogar noch schlechter als bei einem Kühlkörper aus Vollaluminiumlegierung.
SMD und Schraubverriegelung
Beim Patch-Verfahren wird eine dünne Kupferplatte durch Schrauben mit der Aluminium-Unterseite verbunden. Der Hauptzweck besteht darin, die sofortige Wärmeabsorptionskapazität des Kühlkörpers zu erhöhen und so die Lebensdauer einiger seiner ausgereiften Designs aus reinem Aluminium-Kühlkörper zu verlängern. Tests haben ergeben, dass: Durch die Verwendung eines hochleistungsfähigen Wärmeleitmediums zwischen der Unterseite des Aluminium-Kühlkörpers und dem Kupferblock und die Anwendung einer Druckkraft von 80 Kgf mit Schrauben zur Befestigung der Wärmeableitungswirkung und der Wirkung des Kupfer-Aluminium-Lötens vergleichbar ist, wodurch die erwartete Größenordnung der thermischen Effizienz der verbesserten Wärmeableitungsstärke erreicht wird.
Diese Methode ist einfacher als Schweißen und weist eine stabile Qualität, einen einfachen Prozess und geringere Investitionskosten für die Ausrüstung auf als Schweißen. Allerdings stellt sie nur eine Verbesserung dar, sodass die Leistungsverbesserung nicht offensichtlich ist. Obwohl mit Wärmeleitpaste gefüllt, ist der unvollständige Kontakt zwischen dem Kupferblech und der Aluminiumbasis immer noch das größte Hindernis für die Wärmeübertragung.
Die wichtigsten Fertigungsprozesse sind: Kupferblechschneiden, Kalibrieren (Ebenheit weniger als 0,1 mm), Bohren, Auftragen eines wärmeleitenden Mediums, Bohren, Gewindeschneiden, Reinigen, starkes Vordruckprogramm, zweistufiger Verriegelungsvorgang, Feststellschrauben mit festem Drehmoment.
Der Fokus des Patch-Prozesses liegt auf der Kontrolle der Ebenheit und Rauheit von Kupfer, Aluminium sowie des Drehmoments der Feststellschraube und anderer Faktoren. So lässt sich ein gewisser Wirkungsgrad erzielen. Dies ist eine gute Möglichkeit, Kupfer und Aluminium zu kombinieren. Bei unzureichender Leistung des verwendeten Wärmeleitmediums oder unzureichender Ebenheit des Kupferblocks wird die Wärme nicht gleichmäßig an die Oberfläche des Aluminiumkühlkörpers geleitet, wodurch die Wärmeableitung stark beeinträchtigt wird. Darüber hinaus sind die Feststellkraft der Schrauben und die mangelnde Reinheit des Kupfermaterials unerwünschte Einflussfaktoren.
Kupferstopfen Kupfer eingebettet
Es gibt zwei Hauptmethoden, Kupfer einzubauen: Eine besteht darin, das Kupfer in die Aluminiumgrundplatte einzubetten, was bei Radiatoren üblich ist, die im Aluminium-Extrusionsverfahren hergestellt werden. Aufgrund der begrenzten Dicke der Aluminiumradiator-Unterseite ist auch das Volumen des eingebetteten Kupfers begrenzt. Der Hauptzweck der Vergrößerung der Kupferplatte besteht darin, die sofortige Wärmeaufnahme des Radiators zu verbessern. Der Kontakt mit dem Aluminiumradiator ist zudem sehr eingeschränkt. Deshalb ist diese Art von Kupfer-Aluminium-Radiator in den meisten Fällen nicht viel besser als ein Aluminiumradiator. Bei schlechtem Kontakt wird sogar die Wärmeableitung verhindert. Es gibt auch einen Aluminiumradiator mit in radiale Lamellen eingebetteten Kupferpfosten, was dem Design des Originalradiators von Intel entspricht. Die Kupferpfosten sind größer und haben mehr Kontakt mit dem Radiator. Durch den Einsatz von Kupferpfeilern können die Wärmekapazität und die sofortige Wärmeaufnahme des Kühlkörpers verbessert werden. Dieses Design wird auch häufiger von OEMs verwendet.
Selten gesehene dreieckige Basis
Der Kupfer-Plugging-Prozess wird in der Fertigung im Allgemeinen auf folgende Weise realisiert:
Mechanisches Pressen
Mechanische Presspassung besteht darin, ein Stück Kupfer mit einem größeren Durchmesser als die Aluminiumöffnung mechanisch zusammenzupressen. Da Aluminium duktil ist, kann es bei Raumtemperatur mit dem Aluminiumkühlkörper verbunden werden. Der Effekt dieser Verbindungsmethode ist vergleichbar, hat jedoch einen gravierenden Nachteil: Beim Einpressen in die Aluminiumöffnung kann die Oberfläche der Aluminiumöffnung leicht abgekratzt werden, was die Wärmeleitung erheblich beeinträchtigt. Dies lässt sich durch angemessenes Eingreifen und eine optimierte Form des Kupferblocks vermeiden.
Kombination aus thermischer Ausdehnung und Kontraktion
An der Unterseite des Aluminiumkühlkörpers wird ein Loch mit dem Durchmesser ψ = D1 bearbeitet und zusätzlich eine Kupfersäule mit dem Durchmesser ψ = D1 + 0,1 mm. Durch die Verwendung von Metallmaterialien werden die thermischen Ausdehnungs- und Kontraktionseigenschaften des Aluminiumkühlkörpers auf 400 °C erhitzt, die thermische Ausdehnung seiner Ausdehnung bewirkt eine Vergrößerung des Durchmessers des runden Lochs auf D1 + 0,2 mm oder mehr. Durch den Einsatz von Spezialmaschinen wird die auf Zimmertemperatur (oder gekühlt) stehende Kupfersäule schnell bei hohen Temperaturen in das Loch des Aluminiumkühlkörpers gesteckt, um abzukühlen und zusammenzuziehen, sodass Kupfersäule und Aluminiumkühlkörper fest zu einer Einheit verbunden werden können. Dies ist außerdem eine zuverlässige Methode mit hoher Kupfer-Aluminium-Stabilität und optimaler Verbindungsfestigkeit, da keine Fremdmedien verwendet werden. Der Kupfersteckprozess kann den Wärmewiderstand zwischen den Kontaktflächen deutlich reduzieren, wodurch nicht nur die Verbindungsfestigkeit zwischen Kupfer und Aluminium sichergestellt wird, sondern auch die Wärmeableitungseigenschaften der beiden Metallmaterialien optimal ausgenutzt werden.
Allerdings muss auf die Qualitätskontrolle des Durchmessers und der Oberflächenrauheit der Kupfersäulen und -löcher geachtet werden, da diese einen gewissen Einfluss auf die Wärmeableitungswirkung haben.
Nach dem Verkupfern wird die Unterseite des Kühlers häufig noch gefräst und geschliffen. Beim Verkupfern wird der Kupferkern gefräst, die gesamte Unterseite des Kühlkörpers wird zur Glättung geschliffen.
Schmiedeprozess (Kaltschmieden)
Beim Schmiedeprozess, der hauptsächlich von ALPHA beherrscht wird, wird das Metall in einem speziellen physikalischen Zustand (gedämpfter Zustand) unter hohem Druck in ein Schmiedegesenk gepresst. Anschließend wird der Kupferblock auf dem Gesenk vorpositioniert und in das gedämpfte Aluminium eingesetzt. Aufgrund der besonderen Eigenschaften von Aluminium im gedämpften Zustand (nicht flüssig, weich, leicht zu verarbeiten) lassen sich Kupfer und Aluminium perfekt verbinden, sodass in der Mitte kein Spalt entsteht und der Wärmewiderstand an der Schnittstelle sehr gering ist. Der Schmiedeprozess ist aufwendig und teuer, daher sind die fertigen Produkte teuer und nicht gängig. Kühlkörper, die mit diesem Verfahren hergestellt werden, weisen in der Regel viele dicht gepackte, nadelartige Lamellen auf. Dieses Verfahren verleiht dem Kühlkörper ein reichhaltiges Design und größere Fantasie, aber die Kosten sind auch relativ hoch.
Gekräuselte Flosse
Das Crimped-Fin-Verfahren stellt eine deutliche Verbesserung der herkömmlichen Kupfer-Aluminium-Verbindungstechnologie dar. Zunächst wird eine feine Nut in die Kupferplatte eingearbeitet und diese dann unter einem Druck von über 60 Tonnen in das Aluminiumblech eingelegt. Das Aluminiumblech wird mit der Basis des Kupferblechs verbunden, ohne dass ein Medium zwischen Aluminium und Kupfer verwendet wird. Mikroskopisch gesehen bilden die Aluminium- und Kupferatome eine gewisse Interkonnektivität. Dadurch werden die Nachteile des Wärmewiderstands der herkömmlichen Kupfer-Aluminium-Verbindung an der Schnittstelle vollständig vermieden und die Wärmeleitfähigkeit des Produkts deutlich verbessert. So können Kupferverbindungen in Aluminiumsitze, Kupferverbindungen in Kupfersitze und andere Verfahren hergestellt werden. Außerdem können Aluminiumbuchsen und Kupferbuchsen mit Kupfereinsätzen für unterschiedliche thermische Anforderungen hergestellt werden. Diese Technologie verlängert die Lebensdauer der Kupfer-Aluminium-Verbindungstechnologie deutlich.
Darüber hinaus gibt es eine Reihe von Methoden zur Kombination von Kupfer und Aluminium. Der Prozess dient jedoch hauptsächlich dazu, die Qualität der thermischen Kontaktflächen von Kupfer und Aluminium sicherzustellen, da sonst die thermische Wirkung nicht so gut ist wie bei einem Kühlkörper aus Aluminiumlegierung. Der neue Prozess erfordert kontinuierliche Überprüfung und Verbesserung, um letztendlich die gewünschten Ergebnisse zu erzielen.Kupfer-Aluminium-Kombination von HeizkörpernUm einen hochwertigen Kupfer-Aluminium-Kombinationsheizkörper zu kaufen, muss nicht nur auf die Optik geachtet werden, sondern es muss auch der tatsächliche Vergleich erfolgen.