复合表面处理对CPU散热器性能的影响

复合 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面处理对CPU散热器性能的影响 梁字辉 (华南理工大学机械与汽车工程学院 广州，5 1 0 6 4 0 ) 摘要:研究了复合表面处理对铝合金 CPU 散热器性能的影响，首先通过化学氧化工艺在散热器表面制得了 较丰富的微观形貌，以增大其粗糙度，之后采用冷喷涂技术，在散热器表面涂覆一层均匀的红外辐射散热降温涂料，并在风洞中测试了其性能。实验结果表面:复合表面处理后，散热片表面温度降低 4 约?。 关键词:红外辐射涂料;化学氧化;散热片 Abstract: the performance of CPU radiator was researched by duplex surface technology,aluminum radiators were treated by chemical oxidation ,and abundant surface topographywa s got in the surfaces of the aluminum radiators. By means of cold gas dynamic spraying, infrared- radiation-coatings was deposited in the surfaces of the radiators, the samples were measured in wind tunnel .The experimental data demonstrated that the temperature of CPU radiator reduced by 4 ?. Key words: Infrared- radiation-coatings; Chemical oxidation ; CPU radiator 中图分类号:TQ639.1文献标识码:B文章编号:1001-9227(2011)03-0153-03 2 A 表示物体参与换热的表面积， m;引 言0 集成电路技术的快速发展，导致各种电子器件和产 表示物体表面温度与流体的温度差，?; 2 比例系数α称为对流换热系数，单位W/m . ?;品的体积越来越小，集成器件周围的热流密度越来越大， c 以计算机 CPU 为例，其运行过程中产生的热流密度已经达 影响对流传热强弱的主要因素有:22 (1 )对流运动成因和流动状态; 到60,100W/cm，半导体激光器中甚至达到103W/cm数量 (2 )流体的物理性质(随种类、温度和压力而变化); 级。另一方面，电子器件工作的可靠性对温度却十分敏 (3 )传热表面的形状、尺寸和相对位置; 感，电子器件温度在 70 ,80 ?水平上每增加 1 ?，可靠性(4 )流体有无相变(如气态与液态之间的转化)。当单 就会下降5% 。较高的温度已日益成为制约电子器件性能的 独考虑辐射散热时，散热片表面因辐射而放出 瓶颈，而高效电子器件的温度控制目前已经渐渐成为一个 研究热点。CPU 常用的散热方式是加装风扇和散热片，如 的热量可用下式表示: 何优化散热片使CPU 的热量通过散热片发挥出去保证CPU (W)(2)在正常温度下工作，成为今后研究的一个热点。一般散热 式中，Q 为辐射放出的热量; 片采用铝合金制经压铸而成，研究表面对散热片表面进行 r A 为传热面积; 处理可改善其散热性能，但单一的表面处理效果有限，故 本文采用表面化学氧化后喷涂辐射散热降温涂料的复合 ε是物体表面的辐射率，其大小与物体材料温度、表 面积及表面状况粗糙度有关; 处理技术强化其性能。 -8-2-4σ是斯特潘-玻尔兹曼常数，其值为5.67032*10W*m*K; 故提高热辐射的主要措施为: 1散热方式 自然界热的传导方式共三种:传导、对流和辐射，传 (1 )热物体表面越粗糙，热辐射能力就越强; (2 )加大辐射物体表面积及其与周围环境温差以提高 导是指分子之间的动能交换，能量低的粒子和能量较高的[1] 粒子碰撞从而获得能量，CPU芯片以热传导到方式将热量 辐射效果。 传递到铝合金散热片，对流换热是在 CPU 上加装小风扇借 研究表面，金属表面辐射率对表面粗糙度较敏感，一 助空气流动，热量透过周边分子的移动来实现传递，辐射 般随粗糙度的增大，发射率变大故经化学氧化后，不仅散 是指热量从散热片以电磁波的形式直接发散出去，辐射的 热片表面真实面积显著增加，也可大幅增大其表面辐射 传热效能主要取决于热源的材料以及表面结构等。 [2]率,其辐射率可由0.09 增大至0.55;同时在散热片表面 当单独考虑对流换热时，换热量的 计算公式 六西格玛计算公式下载结构力学静力计算公式下载重复性计算公式下载六西格玛计算公式下载年假计算公式 目前仍 喷涂辐射散热降温涂料可增大其红外发射率，以取得良好采用牛顿提出的计算公式: 的降温效果。辐射散热降温涂料是一种辐射走物体热量并 隔热防水的涂料，耐温幅度-50 ,600 ?，辐射散热降温涂 W(1) 料能够以8-13.5 μm红外波长向大气空间自动辐射走被涂 式中，t 表示物体的表面温度，?; w 刷物体上的热量，降低物体表面和内部温度，散热降温明 t 表示流体的温度，?; 显。在各类工业散热器表面涂覆高发射率、高导热率的红 f 外涂料，可以显著提高其散热性能。 收稿日期: 2 0 1 1 - 0 3 - 2 0 作者简介: 梁字辉( 1 9 8 4 - ) , 工程硕士研究生, 主要研究方向 为现代制造技术及数字实现。 复合表面处理对CPU 散热器性能的影响梁字辉 2实验系统 2 . 1 实验材料 本实验采用工业用CP U散热器，加工成70 ×70 ×40 的 试样，散热涂料采用深圳某公司生产的辐射散热降温涂 料，该涂料为双组分两包装，组分 A 为辐射散热涂料基料， 组分B 为粘结剂，使用前需充分混合。混合比为:组分A组: . 分B=20:1，涂料导热率为3.1W/mK;图1 化学氧化后散热器2 . 2 散热器表面预处理 2 . 4 表面喷涂 铝合金散热器是通过压铸工艺制作的，表面处理前 本实验中，采用喷枪将配制好的涂料均匀地喷涂到 的预处理质量直接影响到后续工序的质量，铝属两性金 经过处理的散热器表面，控制涂层厚度大于0.1mm ，待24h 属，因此可用碱性清洗剂，其碱性必须较低，同时具有缓 后，涂料可完全干燥，可用于下一步数据的测量。冲性，这样在清洗过程中可防止金属受化学侵蚀。 3数据采集部分 本实验中所用配方如下: 糙度测量3 . 1 碳酸钠(分析纯) 40 —60g/l， 用便携式粗糙度仪测量了表面预处理和化学氧化后 铬酸钠(分析纯) 10 —20g/l， 散热器粗糙度 Ra 值。测量原理:测量工件表面粗糙度时，氢氧化钠(分析纯)2-3g/l， 将仪器上传感器放在工件被测表面上，由仪器内部的驱动 温度:80,100? 时间:3, 机构带动传感器沿被测表面做等速滑行，传感器通过内置 5min; 的锐利触针感受被测表面的粗糙度，此时试样被测表面的 碱性溶液可使铝合金表面的氧化物薄膜转化形成黑 粗糙度引起触针产生位移，该位移使传感器电感线圈的电色或灰黑色的疏松层，之后必须用硝酸或磷酸溶液进行酸 感量发生变化，从而在相敏整流器的输出端产生与被测表 洗，以中和散热器表面残留的碱性溶液并除去表面的自然 面粗糙度成比例的模拟信号，该信号经过放大及电平转换 [3] 氧化膜，使之裸露出新鲜表面。将试样在流水中冲洗并之后进入数据采集系统，DSP芯片将采集的数据进行数字 自然风干，可形成光亮、洁净、均匀的表面，从而为下一 滤波和参数计算，测量结果在液晶显示器上读出，且该仪 步处理提供了良好的表面状态。该表面预处理方法低毒、 器可测量Ra、Rz、Ry 等多个参数。 [4]工艺简单、成本低、效率高、容易操作、易取得良好的效果。 测量结果如下表 1 ，原始表面和经化学氧化处理后表 2 . 3 散热器表面化学氧化处理 面粗糙度对比: 铝合金化学氧化的实质是通过化学处理在金属表面 表1 化学氧化前后试样表面粗糙度对比形成一层均匀、致密并且有一定厚度和机械强度的氧化 [5]膜，厚度约为0.5,4 μm，具有一定的耐蚀性和较好的物 理吸附能力。在本实验中采用化学氧化工艺得到一层灰黑 色致密的多孔氧化物薄膜。 所用配方如下: NaCO(分析纯)50g/L ; 23 NaCrO(分析纯)15g/L ; 从表 1 我们可以看出，散热器表面经氧化后粗糙度增24 大很多，原因是化学氧化过程在散热器表面生成了一层致 温度90,100? ;[6]密的氧化膜薄膜，厚度约为0.5 ,4 μ m ，增大了散热器表 时间 ; 5,10 min搅拌面与散热涂层间结合的表面积; 该配方中只有两种成分，铬酸钠和碳酸钠，反应如下:3 . 2 温度数据采集 铝的氧化: 本实验研究强制对流下散热片的散热效果，所考虑 2Al+2NaCrO+2HO=AlO+CrO+4NaOH 2422324情况为散热片在湍流条件下的散热性能，故在风动中进行 氧化膜部分溶解: AlO+NaCO=2NaAlO+CO碳酸钠再 此条件下的实验是比较合理的，风洞模拟装置如图 所示。2232322 生: CO+2NaOH=NaCO+2HO 此处，铬酸钠是氧化剂，使铝表2232 面生成氧化物(Al O ) 2 3 的膜;同时又是抑制剂，抑制碳酸钠对氧化膜的过多溶解 腐蚀，所以又可称作铝的缓蚀剂。碳酸钠在此是起溶解铝 表面氧化膜的作用，所以它被成为活化剂。 散热器经 氧化后需立即用流水冲洗，以除去表面附 着的碱性溶液，之后在空气中阴干。本实验同一批次处理 了三块散热器，表面氧化膜较均匀同一。所得试样如 1 图 1为风扇;2为风洞;3为热电偶(测气流温度);4为热电偶;5为散热模拟试验装置所示。 图2 风洞模拟装置图 156 《自动化与仪器仪表》201 1年第 3 期(总第 155 期) 采用加热棒作为热源，并将其埋入制作好的铝块中， 以使散热片底部加热温度基本均匀，达到稳定的边界条 件，采用调压电源及数字式功率表 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 所输入加热功率， 散热片则有空气强制对流冷却。测温热电偶安装在散热片 底部，同时布置四根测多点温度。另外布置一个热电偶测 量空气流体温度。热电偶采用经过标定的 K 型热电偶，实 验所用加热电压为20,170V ，每隔30V 取一个点，实验测 试装置如图 2 所示。 图3 散热片温度变化图 从上表可以看出，经表面处理后散热片表面温度降 低约 4 ?，表明表面处理确实降低了散热片的温度。 4结 论 本实验采用实验和理论分析相结合的方法测试了辐 射散热降温涂料的性能，并探寻了强化辐射散热的相关规 律，结论如下:经复合表面处理后散热片温度降低约 ?4; 参考文献 张兴旺.计算机设备的热设计[J].电子工艺技术,2001.1,Vol.[1] 22.1:36-40. 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