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01
Verarbeitungs- und Formtechnologie von CPU-Kühlern
12.10.2024
Aus mancher Perspektive bestimmt die Verarbeitungs- und Formtechnologie des Heizkörpers dessen endgültige Leistung und ist der wichtigste Ausdruck der technischen Stärke des Herstellers. Die gängigen Formtechnologien für Heizkörper sind meist folgende:
Aluminium-Extrusionstechnologie (Extrudiert)
Aluminium-Extrusionsverfahren bedeutet im Wesentlichen, dass der Aluminiumbarren unter hohem Druck auf eine Temperatur von etwa 520 bis 540 °C erhitzt wird, sodass das flüssige Aluminium durch die Extrusionsdüse mit Rillen fließt und so den ersten Kühlkörper bildet. Anschließend wird dieser erste Kühlkörper durch Schneiden, Fräsen von Rillen und andere Bearbeitungen zu unserem üblichen Kühlkörper verarbeitet. Aluminium-Extrusionsverfahren sind einfacher zu realisieren und die relativ geringen Kosten der Ausrüstung haben sie in den vergangenen Jahren auch im unteren Marktsegment weit verbreitet. Üblicherweise wird Aluminium-Extrusionsmaterial AA6063 verwendet, das eine gute Wärmeleitfähigkeit (ca. 160 bis 180 W/mK) und gute Verarbeitbarkeit aufweist. Aufgrund der Einschränkungen des Materials selbst können Dicke und Länge der Lamellen das Verhältnis von 1:18 jedoch nicht überschreiten. Daher ist es schwierig, die Wärmeableitungsfläche in einem begrenzten Raum zu vergrößern. Daher ist die Wärmeableitungswirkung des Aluminium-Strangpresskühlkörpers relativ schlecht und es ist schwierig, mit den heutigen, immer höher werdenden Frequenzen der CPUs fertig zu werden.
Aluminium-Druckguss-Technologie
Neben der Aluminium-Extrusionstechnologie gibt es ein weiteres Verfahren, das häufig zur Herstellung von Kühlkörpern für Aluminium-Druckguss verwendet wird. Dabei werden Aluminiumbarren geschmolzen, bis sie flüssig sind, mit Metallmodellen gefüllt und mithilfe einer Druckgussmaschine direkt im Druckgussverfahren geformt. Kühlkörper können mithilfe des Druckspritzverfahrens in eine Vielzahl von dreidimensionalen Lamellenformen gebracht werden. Kühlkörper können je nach Bedarf mit komplexen Formen hergestellt werden und können auch mit der Richtung des Lüfters und der Richtung des Luftstroms unter Berücksichtigung der Strömung des Kühlkörpers hergestellt werden. Außerdem können dünne und dichte Lamellen hergestellt werden, um die Wärmeableitungsfläche zu vergrößern. Aufgrund des einfachen Verfahrens wird dieses Verfahren häufig verwendet. Im Allgemeinen wird für ADC12 häufig Aluminium-Druckgusslegierungen verwendet. Aufgrund der guten Druckgussformbarkeit ist es für die Herstellung dünner Gussteile geeignet, hat aber eine schlechte Wärmeleitfähigkeit (ca. 96 W/mK). Daher wird heute häufiger inländisches Aluminium AA1070 als Druckgussmaterial verwendet, da seine Wärmeleitfähigkeit bis zu 200 W/mK oder so beträgt und eine gute Wärmeableitungswirkung hat.
Allerdings gibt es einige inhärente Mängel des AA1070-Aluminiumlegierungs-Druckgussheizkörpers, die er nicht überwinden kann:
(1) Ein übermäßiges Oberflächenströmungsmuster und oxidierte Schlacke während des Druckgusses verringern den Wärmeübertragungseffekt.
(2) Beim Abkühlen ist das interne Mikrokondensationsloch hoch und die wesentliche Wärmeübertragungsrate wird reduziert (K
(3) Die Form erodiert leicht, was zu einer kürzeren Lebensdauer führt.
(4) Schlechte Formgebung, nicht für dünne Gussteile geeignet.
(5) Weiches Material, leicht zu formen.
Da sich die CPU-Hauptfrequenz ständig verbessert, wird zur Erzielung einer besseren Kühlwirkung das Volumen des Aluminium-Kühlkörpers im Druckgussverfahren immer weiter vergrößert, was die Installation des Kühlkörpers mit sich bringt. Zudem wird durch dieses Verfahren die wirksame Kühlfläche des Kühlkörpers begrenzt. Um eine bessere Wärmeableitung zu erreichen, muss zwangsläufig das Luftvolumen des Lüfters erhöht werden, was wiederum zu mehr Lärm führt.
Kühlkörperverarbeitung und Formtechnologie
Fügeverfahren
Bei diesem Kühlkörpertyp werden die Lamellen zunächst aus Aluminium- oder Kupferplatten gefertigt und anschließend mit Wärmeleitpaste oder Lötzinn mit einem Kühlkörpersockel mit Rillen verbunden. Die Besonderheiten des geklebten Kühlkörpers liegen darin, dass die Lamellen nicht auf das ursprüngliche Verhältnis beschränkt sind, die Wärmeableitung gut ist und verschiedene Materialien für die Lamellen gewählt werden können. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass das Pin-Fin-Verhältnis des Kühlkörpers 60 oder mehr betragen kann, was eine gute Wärmeableitung ermöglicht, und dass die Lamellen aus verschiedenen Materialien gefertigt werden können.
Der Nachteil besteht darin, dass durch die Verwendung von Wärmeleitpaste und Lötverbindungen zwischen den Lamellen und der Basis Impedanzprobleme an der Schnittstelle zwischen den Lamellen und der Basis auftreten und somit die Wärmeableitung beeinträchtigt wird. Um diese Mängel zu beheben, werden im Kühlkörperbereich zwei neue Technologien eingesetzt.
Die erste ist die Zahneinfügungstechnologie. Dabei wird ein Druck von mehr als 60 Tonnen eingesetzt, um Aluminium auf einer Kupferbasis zu verbinden. Zwischen den beiden wird kein Medium verwendet. Aus mikroskopischer Sicht besteht zwischen den beiden Atomen ein gewisser Grad an Interkonnektivität. Dadurch werden die Nachteile des thermischen Grenzflächenwiderstands, die bei herkömmlichen Kombinationen entstehen, vollständig vermieden und die Wärmeübertragungsfähigkeit des Produkts erheblich verbessert.
Zweitens ist da die Reflow-Löttechnologie. Das größte Problem herkömmlicher Kühlkörper mit Verbindungen ist die Schnittstellenimpedanz. Die Reflow-Löttechnologie bietet eine Lösung für dieses Problem. Tatsächlich sind Reflow-Lötverfahren und herkömmliche Kühlkörper mit Verbindungen nahezu identisch. Es wird nur ein spezieller Reflow-Lötofen verwendet, bei dem sich Temperatur und Zeit des Lötens genau einstellen lassen. Beim Löten wird eine Blei-Zinn-Legierung verwendet, damit die Lötstelle und das zu lötende Metall vollständigen Kontakt haben, um ein Auslaufen oder Austreten von Lötzinn zu vermeiden und sicherzustellen, dass die Verbindung zwischen Rippen und Basis so nah wie möglich ist, um den Wärmewiderstand der Schnittstelle zu minimieren. Auch das Lötkupfer an jedem Lötpunkt muss kontrolliert werden. Die Schmelzzeit und Schmelztemperatur des Kupfers jeder Schweißnaht müssen kontrolliert werden, um die Gleichmäßigkeit der Schweißnaht zu gewährleisten. Dieser spezielle Reflow-Lötofen ist jedoch sehr teuer und wird von Motherboard-Herstellern häufiger verwendet, während Kühlkörperhersteller ihn selten einsetzen. Im Allgemeinen werden Kühlkörper, die dieses Verfahren verwenden, hauptsächlich im High-End-Bereich und in teureren Ausführungen verwendet.
Flexure-Verfahren
Beim Flexure-Verfahren werden Kupfer- oder Aluminiumbleche zunächst mit einer Formmaschine zu einteiligen Lamellen gefaltet. Anschließend werden die oberen und unteren Grundplatten mit Lochformen fixiert und anschließend mit einem Hochfrequenz-Metallschmelzschweißgerät mit der bearbeiteten Basis verschweißt. Dank des kontinuierlichen Verbindungsvorgangs eignet sich das Verfahren für Kühlkörper mit hohem Dicken-Längen-Verhältnis. Die einteiligen Lamellen ermöglichen eine kontinuierliche Wärmeleitung. Die Lamellendicke beträgt lediglich 0,1 mm, was den Materialbedarf deutlich reduziert und die Wärmeübertragungsfläche innerhalb des zulässigen Kühlkörpergewichts maximiert. Um eine Massenproduktion zu ermöglichen und die Grenzflächenimpedanz beim Verbinden der Materialien zu überwinden, werden obere und untere Platten gleichzeitig zugeführt. Der Produktionsprozess ist automatisiert und konsistent. Zum Verbinden der oberen und unteren Platten wird Hochfrequenzschweißen eingesetzt. Die Materialien werden verschmolzen, um Grenzflächenimpedanzen zu vermeiden. So entstehen hochfeste und eng aneinanderliegende Kühlkörper. Durch den kontinuierlichen Prozess ist eine Massenproduktion möglich und die Wärmeübertragungseffizienz kann durch eine deutliche Gewichtsreduzierung und Effizienzsteigerung erhöht werden.
Schmiedeprozess
Beim Schmieden wird der Aluminiumblock nach dem Erhitzen bis zum Knickpunkt erhitzt. Anschließend wird er unter hohem Druck in die Form gefüllt und geformt. Der Vorteil liegt darin, dass die Rippen eine Höhe von über 50 mm und eine Dicke von 1 mm oder weniger erreichen können, wodurch bei gleichem Volumen eine maximale Wärmeableitungsfläche erreicht wird und durch Schmieden leicht eine sehr gute Maßgenauigkeit und Oberflächengüte erreicht wird. Beim Schmieden tritt jedoch aufgrund der plastischen Rheologie beim Abkühlen ein Schrumpfungsphänomen am Hals auf, sodass der Kühlkörper leicht dick und dünn sowie in der Höhe ungleichmäßig wird, was die Effizienz der Wärmeableitung beeinträchtigt. Aufgrund der geringen Plastizität des Metalls treten bei Verformungen leicht Risse auf. Der Verformungswiderstand erfordert Schmiedemaschinen mit großer Tonnage (500 Tonnen oder mehr) und die hohen Kosten für Ausrüstung und Formen verursachen extrem hohe Produktkosten. Und aufgrund der hohen Kosten für Ausrüstung und Formen sind die Kosten außer bei Massenproduktion zu hoch.
Weltweit gibt es nur wenige Hersteller von Kühlkörpern durch Kaltschmieden. Die bekanntesten sind ALPHA aus Japan und Taisol sowie MALICO-Taiye Technology aus Taiwan. Der Vorteil des Kaltschmiedens liegt darin, dass im Vergleich zu Aluminium-Strangpressprofilen auch größere Kühlkörper mit höherer Wärmeableitungsfläche hergestellt werden können. Da Aluminium-Strangpressen gedehnt wird, dehnt sich das Aluminiummetall horizontal aus, während Kaltschmieden vertikal komprimiert wird. Daher bietet das Kaltschmieden hinsichtlich der Wärmeableitung größere Vorteile. Der Nachteil sind die höheren Kosten, und es gibt nur wenige Hersteller, die diese Technologie herstellen und produzieren können.