通过冷喷涂工艺制造低热阻/低成本的复合散热器

电子设备在运行期间会产生热量，导致性能和可靠性下降，较大热功耗的IC元件通常借助散热器来传导热量，避免结温超过最大允许限值。

在硅基半导体芯片上安装散热器（heat sink），并最终通过空气或液体来耗散芯片的热量是常见的电子设备冷却手段。这些散热器，通常采用铜或铝材单独加工，或者是铜和铝材的结合形式。

铜质散热器造价高，铝质散热器导热性不足

铜的导热性能大于铝，单位体积的散热能力优于铝，排除重量和成本的影响，铜是散热器的优选材料。铝材导热性较低，因此铝质散热器不能足够快的散发热量，需要更大的表面积和更高的鳍片，在很多紧凑型应用，尤其是追求高功率密度系统中，铝散热器不是最佳的选择。铜和铝的一些特性差别，如表1所示：

表1 铜和铝的一些特性差别

为什么需要铜铝复合散热器？

散热器包含了接触热源芯片的底座，以及通过冲压焊接/挤出/削齿/铲齿等制造方法连接在底座上方的鳍片。底座接触芯片，吸收芯片热量并传导到鳍片，鳍片尽量增加表面积，加快空气换热效率，最终带走芯片热量。

大功率的电子设备，往往芯片发热的速度很快，如果散热器是铝底座，将可能产生底座的热传递速度不足以将热快速扩散到鳍片表面，而造成散热器热阻加大，冷却性能不足。

铝质散热器底座的全部或局部区域可以更换成导热性更好的铜材料，以便解决热扩散速度不足的问题。这样的复合散热器底座采用铜快速传导芯片热量，鳍片依然是铝，能做到兼顾快速热扩散和具有成本效益。

图1 ：冷喷涂复合散热器（图片来源：Impact Innovations）

传统工艺制造复合散热器的弊端

在铝质散热器底座上增加铜质来改善热传导，通常的做法有嵌铜和焊接铜，但它们不可避免的引入一些新的缺陷：

嵌铜：首先采取切屑的方式，去除底座上嵌铜位置的铝料，然后在嵌铜区域的底部涂抹热界面材料，接着铜块在紧配合下嵌在底座铝基体中，最后再次切屑抛光，得到表面光滑平整的嵌铜底座。这带来两个问题，铜铝界面的热界面材料带来额外的热阻抗，镶嵌界面处于长期的热膨胀不匹配导致松动，存在嵌铜下陷，散热器性能急剧下降的风险。

焊接铜：通常采用铝直接键合铜或钎焊，在底座上结合铜材料。铝直接键合铜非常困难，工艺成本很高，经济效益低；钎焊必须引入焊接材料，存在界面腐蚀，界面热导率不一致，热膨胀不匹配等问题。

图2： 嵌铜散热器（Copper Embedded Heat Sinks）

冷喷涂工艺用于制造复合散热器，基本原理与工艺过程

冷喷涂 (CS，Cold Spray) 技术是一种高度创新的表面涂层和增材制造工艺，可用于连接铜和铝并克服键合焊接和钎焊相关的问题。

图3 ：铜冷喷涂过程，铜颗粒逐步接合在基材表面

图4 铝质散热器底座铜冷喷涂的施工现场（图片来源：Impact Innovations）

冷喷涂（CS）工艺可以在远低于材料熔点的温度下将粉末颗粒以固态沉积在基材表面，因此它可以避免高温引起的常见问题，如高温氧化、热应力和微观相变。冷喷涂是一种基于粉末的加工技术，微米级粉末颗粒在喷嘴中被超音速的压缩气体加速，高速的粉末颗粒撞击基材，发生塑性变形，并与基材产生粘合。CS工艺生产时间较短、并可以灵活选择大面积或局部沉积施工。

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图5 冷喷涂系统的基本构成

为什么可以选择冷喷涂工艺制造复合散热器？

众所周知，通常根据热阻值进行散热器性能的量化。热阻是散热器每耗散单位功率后，散热器顶部高于环境温度的量度。热阻值越低，在同等冷却环境下，鳍片顶部的温度越低，散热器的冷却性能越好。

为了验证冷喷涂工艺复合散热器的性能，Impact Innovations 公司对结构相同的铜、铝和复合散热器在相同的热环境下进行了实验，多次测量得出了这三种散热器的热阻和表面最高温度。

通过实验记录，测试铝质散热器时，最高温度为 438K，对应的热阻为0.7 K/W ；测试铜质散热器时，最高温度仅为348K，对应的热阻为0.33 K/W；测试冷喷涂复合散热器时，最高温度略高于 349K，热阻为 0.36 K/W，数据十分接近铜质散热器（图 6）：

图6 铝质、复合和铜质散热器的热阻和最高温度的实验记录（图片来源：Impact Innovations）

冷喷涂在散热器上，具有低成本大规模工业化生产能力

Impact Innovations公司超过20年的冷喷涂工艺开发与实践证明，冷喷涂制造复合散热器的生产成本略高于铝质散热器，但重量和成本低于铜质散热器。在铝质散热器上添加一层铜，对生产成本有直接影响，但好处是会使散热器热阻降低 48%。

冷喷涂工艺的铜粉沉积率为95%（包括过喷），沉积速度为10公斤/小时，表明冷喷涂工艺有实现低成本大规模工业生产的能力。

关于 Impact Innovations GmbH

Impact Innovations GmbH 是工业冷喷涂的全球技术领导者，公司成立于 2010 年，总部位于德国，是冷喷涂领域量身定制解决方案的先驱和创新者。冷喷涂是一种高度创新的表面涂层和增材制造工艺，该公司最早于2000年开始冷喷涂技术的开发，2012年开始销售第一代冷喷涂系统，2015年开始销售用于工业生产和增材制造的设备，2019年投资战略合作伙伴DEDIQ，公司进入新的发展阶段。

图7 Impact Innovations公司的冷喷涂系统