摘要：鋁合金散熱器型材是鋁合金擠壓型材中難度較大，技術(shù)含量較高的一種。散熱器產(chǎn)品由于其特殊的性能要求，對(duì)于與熱源直接接觸的表面，需要鑲嵌銅片提高散熱器的導(dǎo)熱率，而目前的各種銅鋁結(jié)合的工藝普遍在兩者之間存在粘結(jié)層，不可避免地影響到散熱器的性能。
本文提出了一種覆銅散熱器復(fù)合型材一次擠壓成形的方法，文中詳細(xì)論述了銅鋁復(fù)合加工機(jī)理和散熱器覆銅設(shè)計(jì)及其結(jié)構(gòu)分析，通過傳統(tǒng)的鋁型材擠壓設(shè)備及模具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造。分別在擠壓設(shè)備上增加了銅板的送料機(jī)構(gòu)，在擠壓模具、模套、模座等擠壓工具上增加輸送銅板的進(jìn)料口，初步實(shí)現(xiàn)了覆銅散熱器復(fù)合型材一次擠壓成形。
1 引言
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，新結(jié)構(gòu)、新材料和新工藝的應(yīng)用日益廣泛?，F(xiàn)代工程中的許多零部件需要工作在高溫或低溫、腐蝕介質(zhì)、電磁場(chǎng)或放射性環(huán)境中，所選用的材料應(yīng)該是能滿足工作要求的特殊材料，單獨(dú)使用一種材料常常不能滿足實(shí)際應(yīng)用中的各種要求，并且有色金屬材料的用量也比較大。為了節(jié)約大量的優(yōu)質(zhì)貴重有色金屬材料，降低成本，簡(jiǎn)化制造工藝，保證不同的工作條件下使用不同的材料，充分發(fā)揮不同材料的性能優(yōu)勢(shì)，異種有色金屬材料的復(fù)合技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。
目前，工程上大量采用的是單純的鋁散熱器，由于鋁的導(dǎo)熱系數(shù)較低，僅為230W/m℃(0℃時(shí))，大量的熱量很難被迅速帶走。而銅的導(dǎo)熱系數(shù)較高，為382W/ m℃(0℃時(shí))，但銅散熱器的重量較大，并且在惡劣環(huán)境下的三防(防潮、防霉、防鹽霧)較難。
銅鋁復(fù)合制作的散熱器，較好地發(fā)揮了兩種金屬各自的優(yōu)勢(shì)，做到了優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，不但能使散熱器耐腐蝕，產(chǎn)品重量輕壽命長(zhǎng)，而且還提高了散熱器其他方面的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)。
近幾年來，散熱器生產(chǎn)商在原有鋁合金散熱器的基礎(chǔ)上作了技術(shù)改進(jìn)，在散熱翅片反面加上5～6mm厚的紫銅板，或者在鋁制散熱翅中加入紫銅散熱管，以利于提高散熱效果。目前高速CPU芯片就采用了此種設(shè)計(jì)的散熱器進(jìn)行散熱，但由于鋁－銅的物理性質(zhì)差異較大，形成致密可靠的連接難度較大，因此如何將二者有效地連接在一起成了此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵?，F(xiàn)有的焊接技術(shù)是先在鋁表面鍍鎳，再與銅板實(shí)行軟釬焊，即形成鋁－鎳－銅體系。這一工藝方法基本上能達(dá)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的技術(shù)要求，但由于需要增加電鍍工藝，因此生產(chǎn)成本較高，而且由于鎳的熱傳導(dǎo)性較差，阻礙了散熱器散熱效果的進(jìn)一步提高，沒有最大限度的發(fā)揮此種(銅－鋁)散熱器設(shè)計(jì)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
目前市面上充斥著各種各樣的銅鋁結(jié)合的散熱器，采用不同的工藝將銅與鋁結(jié)合在一起。常用的有釬焊、螺絲鎖合、熱脹冷縮結(jié)合、機(jī)械式壓合等方式。
2 覆銅散熱器的加工機(jī)理與設(shè)計(jì)
覆銅散熱器突出的問題是銅/鋁接頭的連接[1]。實(shí)踐證明，在負(fù)荷較大的情況下，用傳統(tǒng)方法對(duì)銅與鋁連接所生產(chǎn)的電工產(chǎn)品是極不可靠的[2]。采用表而堆焊、爆炸復(fù)合、軋制復(fù)合等多種方法均可成功制備銅/鋁連接件，然而就性能和價(jià)格比而言，采用擠壓法制備復(fù)合接頭具有明顯的優(yōu)勢(shì)，通過該方法形成的銅/鋁連接件可以降低成本、減輕構(gòu)件質(zhì)量以及發(fā)揮銅、鋁各自的優(yōu)點(diǎn)，并能變異種金屬的焊接為同種金屬的焊接[3-5]。銅、鋁復(fù)合時(shí)，在復(fù)合界而上會(huì)生成一層金屬間化合物(如CuAl2等)，這類金屬間化合物硬而脆，會(huì)導(dǎo)致復(fù)合板的結(jié)合強(qiáng)度和彎曲性能等降低，且導(dǎo)電性變差[6]，因此，這種過渡層不能太厚，否則將對(duì)材料的使用特性產(chǎn)生影響。另外，由于鋁的線收縮系數(shù)大于銅的線收縮系數(shù)，在冷卻過程中銅/鋁復(fù)合界而附近產(chǎn)生很大的應(yīng)力，當(dāng)界面結(jié)合強(qiáng)度不足時(shí)，將致使原先良好的鑄造結(jié)合而開裂。因此，選擇合理的復(fù)合工藝至關(guān)重要。
銅/鋁復(fù)合材料采用固－液復(fù)合法制備，首先要對(duì)銅板進(jìn)行預(yù)處理：將銅板在脫脂劑中進(jìn)行脫脂處理，用清水沖洗后在鋼絲輪上進(jìn)行除銹和打毛處理，打毛的目的是為增加界面的接觸而積。銅/鋁復(fù)合層的形成主要是銅與鋁的界面反應(yīng)和相互擴(kuò)散的結(jié)果，復(fù)合界面的冶金結(jié)合是通過接觸面上金屬的熔化和擴(kuò)散過程實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)液態(tài)鋁與固態(tài)銅接觸時(shí)，固態(tài)銅表面發(fā)生界面反應(yīng)以及銅和鋁原子的相互擴(kuò)散，在兩種金屬中形成擴(kuò)散層，在界面上還形成金屬間化合物。復(fù)合界面的冶金結(jié)合是通過界面層上固體的局部熔化和原子擴(kuò)散的物理冶金過程實(shí)現(xiàn)的。
在固－液復(fù)合的條件下，使用熔劑對(duì)銅板進(jìn)行預(yù)浸鍍，在鋁錠擠壓溫度為480℃以上，銅板預(yù)熱溫度為400℃時(shí)，獲得了界面過渡層厚度為45μm，剪切強(qiáng)度為57 MPa的良好復(fù)合界面[7]。
同時(shí)，固－液復(fù)合界面上存在熔化區(qū)和非熔化區(qū)，銅/鋁復(fù)合界面的結(jié)合是通過銅/鋁接觸面上銅的熔化和銅與鋁之間的擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)的。
3 散熱器覆銅設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)分析
在鋁合金散熱器底部鑲嵌0.2mm厚度的銅板，可以大大提高散熱器的散熱效率，同時(shí)節(jié)約大量成本。散熱片選用較高導(dǎo)熱系數(shù)的材料對(duì)提高熱傳導(dǎo)效率很有幫助，鋁的導(dǎo)熱系數(shù)為735KJ/(M?H?K)，銅的導(dǎo)熱系數(shù)為1386KJ/(M?H?K)，在所有其它條件均相同的時(shí)候，銅在單位時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)的熱量是鋁的近兩倍。
如果將鋁合金散熱片改用銅來制造，對(duì)熱的傳導(dǎo)速率將會(huì)有一個(gè)很可觀的提升，這樣當(dāng)然就對(duì)高度集中的熱量具有明顯“療效”。但是，還需要考慮銅的比重比鋁大，將不符合散熱片重量限制的要求； 紅銅的硬度不如鋁合金AA6063，某些機(jī)械加工性能不如鋁；銅的熔點(diǎn)比鋁高很多，不利于擠壓成形等等問題。所以這里就把銅、鋁結(jié)合應(yīng)用，利用銅的高導(dǎo)熱系數(shù)特點(diǎn)，把熱量傳導(dǎo)至鋁材質(zhì)的鰭片，再通過風(fēng)扇的對(duì)流作用散發(fā)至空氣中。既保證其重量不超標(biāo)，又可量產(chǎn)，也取得了一定的效能提升。
散熱片的肋片分布間距是5.5mm，厚度從1mm到3mm不等；且肋片數(shù)目較多。很明顯，肋片分布區(qū)域的擠壓力分布極不均勻，存在很大的摩擦力；同時(shí)肋片強(qiáng)度較低，在熱擠壓過程中很容易發(fā)生偏折。反之，散熱器底部供料充足，相比較肋片而言，強(qiáng)度大，擠壓力小，熱擠壓過程中流速快，從而型材整體很容易發(fā)生扭擰和側(cè)彎。同時(shí)，銅鋁結(jié)合時(shí)親和力較差，必須嚴(yán)格控制銅板與鋁錠的接觸面、擠壓力以及擠壓溫度，這也增加了對(duì)型材擠壓過程中流動(dòng)穩(wěn)定性的要求，以及對(duì)銅板附著力的要求。
由于模具的齒頂部是最不易填充的部位，為了使此處填充充分，在下模齒頂處的焊合室，設(shè)計(jì)了可起促流作用的30°斜面，從而更好地改善了此處的流速。另外，此分流模下模焊合室的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，不同于常規(guī)形式的分流模結(jié)構(gòu)，與上模的分流口尺寸不是完全對(duì)應(yīng)的，在焊合室上，下寬度的取值依據(jù)散熱器型材寬度，按平模導(dǎo)流口的設(shè)計(jì)形式取值，這樣有利于 齒頂部不易填充的部分充分填充。
4 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
4.1 擠壓模模面的設(shè)計(jì)
送料機(jī)構(gòu)是一個(gè)類似于連續(xù)擠壓裝置的銅卷。通過預(yù)先對(duì)銅板進(jìn)行表面處理（主要通過脫脂、除銹、打毛處理等），使銅板表面具有一定粗糙度，能夠增大與半固態(tài)鋁錠的接觸面積。這里的銅板厚度是0.2mm，所以在液態(tài)鋁錠的流動(dòng)過程中，利用表面摩擦力能夠帶動(dòng)薄銅板一起運(yùn)動(dòng)。由表1可以知：擠壓過程中的模具溫度達(dá)到480-500℃,擠壓速度為10－30m/min。
表1 鋁合金散熱器型材擠壓工藝參數(shù)[8]
由上一節(jié)所述，在鋁錠擠壓溫度為480℃以上，銅板預(yù)熱溫度為400℃時(shí)，可以獲得界面過渡層厚度為45μm，剪切強(qiáng)度為57 MPa的良好復(fù)合界面。所以銅板還要經(jīng)過預(yù)熱處理，使整體溫度達(dá)到400℃。經(jīng)過預(yù)熱處理后的銅板要及時(shí)送入到擠壓模具的模腔內(nèi)，與半固態(tài)鋁錠一起經(jīng)過工作帶、一級(jí)空刀、二級(jí)空刀，最后從模墊送出銅鋁復(fù)合的散熱器型材。
在送入銅板的過程中，為了確保銅板能夠順利的進(jìn)入到模腔內(nèi)，同時(shí)鋁錠不至于從所開的側(cè)孔擠出，在銅板的厚度上增開0.08mm的厚度，即擠壓模模面開出厚度為0.28mm的送銅板的槽。如圖1所示。
圖1 擠壓模模面設(shè)計(jì)
4.2 模套結(jié)構(gòu)要素的設(shè)計(jì)
模套主要用于對(duì)導(dǎo)流模、擠壓模、模墊的固定，及其在擠壓機(jī)中的定位作用?？蓪~板輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)在擠壓機(jī)的下方，在輸送鋁錠的同時(shí)，將銅帶也輸入擠壓機(jī)中。所以在模套的下端開一條0.3mm（＝0.2mm＋0.1mm）厚度的罅縫，供銅板送料。如圖2所示。
圖2 模套設(shè)計(jì)
4.3 銅板送料機(jī)構(gòu)的工作機(jī)理及過程分析
本設(shè)計(jì)中，銅板送料機(jī)構(gòu)位于擠壓機(jī)的下側(cè)，操作人員站在擠壓機(jī)右側(cè)進(jìn)行遙控操作。預(yù)熱后的鋁錠從擠壓機(jī)的下部運(yùn)送到擠壓機(jī)內(nèi)。銅板首先進(jìn)行表面處理，先將銅板在脫脂劑中進(jìn)行脫脂處理，然后進(jìn)行除銹和打毛處理。又由于銅板要進(jìn)行預(yù)熱處理，所以在銅板的外側(cè)有一個(gè)保溫箱，保證銅板溫度恒定保持在400～480℃。
在型材擠壓開始前，操作人員先將一定長(zhǎng)度的銅板穿過模套13、擠壓模14，送入到擠壓模中。如圖3所示。然后運(yùn)行擠壓機(jī)，擠壓軸開始推動(dòng)鋁錠運(yùn)動(dòng)；鋁錠通過導(dǎo)流模后，在擠壓模腔內(nèi)與銅板匯合。在480℃以上的高溫、10MN的高壓作用下，鋁錠與銅板帶表面迅速發(fā)生界面反應(yīng)，銅和鋁原子相互擴(kuò)散；在兩種金屬中形成擴(kuò)散層，在界面上還形成金屬間化合物，從而二者牢固結(jié)合。成型后的銅鋁復(fù)合散熱器通過空刀、后空刀、模墊11、墊環(huán)12等部位后，逐級(jí)降溫強(qiáng)化，最后形成覆銅散熱器型材，截取適當(dāng)長(zhǎng)度后進(jìn)行表面處理即可。
如圖3所示，在銅板送料過程中，為了保證銅板垂直穿過模套、模子的罅縫，在靠近模套的部位加設(shè)一個(gè)滾輪機(jī)構(gòu)17，主要起到定型定位的作用。當(dāng)然，不可避免的會(huì)出現(xiàn)銅板斷裂或者銅板傾斜等問題，這就需要重新對(duì)位和植入銅板；為了減少機(jī)器的反復(fù)起停，滾輪機(jī)構(gòu)對(duì)銅板的位置調(diào)控顯得尤為重要。
圖3 擠壓機(jī)各部位結(jié)構(gòu)
為了使模具在擠壓時(shí)模孔各部的流速均勻、擠壓平穩(wěn)，在設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)時(shí)，打破了實(shí)心型材大都采用平模形式的常規(guī)設(shè)計(jì)理念，將此型材模具設(shè)計(jì)成帶有流口、分流橋的分流模的形式，與常規(guī)分流模所不同的是，在此分流模的上模分流橋上，沒有決定型材內(nèi)孔尺寸的型 芯部分，因此，稱之為假分流模。
5 小結(jié)
本章主要介紹了銅鋁復(fù)合散熱器的研究與應(yīng)用。軋制復(fù)合法、爆炸復(fù)合法、擠壓－拉拔法是生產(chǎn)銅鋁復(fù)合材料的常用方法。應(yīng)用較多的銅鋁復(fù)合材料主要有銅包鋁復(fù)合線材、銅鋁復(fù)合接頭材料、銅鋁復(fù)合板帶等。
要使大量熱量通過散熱器散出，本文論述的新型散熱器以0.2mm紫銅板作為散熱器的基板，在基板上壓接鋁合金型材散熱肋片。在高壓下，紫銅基板和鋁合金型材散熱肋片的接觸面產(chǎn)生分了級(jí)的接觸。用紫銅為基板是因?yàn)樽香~的導(dǎo)熱率高，能夠使熱量盡量擴(kuò)散開?；迳蠅航拥纳崂咂苊?，能夠增大散熱面積。
詳細(xì)討論了擠壓模模面和模套結(jié)構(gòu)要素的設(shè)計(jì)，具體說明了銅板送料機(jī)構(gòu)的工作機(jī)理及運(yùn)行過程，保證了銅板源源不斷的輸送到擠壓模模腔內(nèi)，從而得到合格的銅鋁復(fù)合散熱器。
關(guān)鍵詞：銅鋁復(fù)合散熱器，散熱器，擠壓模具，模具設(shè)計(jì)
