拆卸某些電子設備，例如電腦主機或白色家電時，通常會在其內部結構中發現一塊金屬塊。這塊金屬塊就是散熱器，它是電子設備整體散熱的關鍵零件之一。如果沒有它，積聚的熱量就無法釋放或與外部環境交換。
什麼是散熱器？
散熱器是一種用於將設備運作產生的熱量散發出去以維持其正常運作的裝置，主要用於電腦CPU和GPU（顯示卡）等核心零件。根據冷卻方式的不同，散熱器可分為多種類型，包括氣冷、液冷和熱管技術。其主要材料是銅和鋁合金，但也使用石墨烯、導熱塑膠和陶瓷（例如碳化矽、氮化硼）等非金屬材料。
散熱是透過熱傳導、熱對流和熱輻射的協同作用來實現的。製造流程包括鋁擠型和銅鋁鍵結等技術。散熱片的設計和成型直接影響散熱效率。
散熱器類型
散熱器種類繁多，這主要歸因於材料和結構幾何形狀的差異。下面我們將介紹幾種常見的散熱器類型。
折翅片散熱器
折疊式散熱片採用連續沖壓製程製造。然後，利用導熱環氧樹脂、釬焊、焊接或類似的冶金連接方式，將散熱片黏合到基座上形成散熱器。折疊式散熱片散熱器的優點在於能夠將鋁和銅結合使用，從而可以根據特定應用客製化散熱器的性能。如果需要將熱量均勻分佈在較大的散熱器基座上，則可以使用具有高導熱性的銅，而散熱片則可以採用鋁製造，因為鋁重量輕、成本低。
車削翅片散熱器
刨削翅片散熱器採用單塊材料（銅或鋁），並使用專用刨削機和高精度散熱器刨削工藝，切割出高密度、高而長的翅片結構。刨削翅片散熱器克服了傳統散熱器厚度和長寬比的限制，能夠製造出高密度翅片的散熱器。翅片和底座是「整體式」（一體成型）。由於底座和翅片整合在一個部件中，因此不存在額外的熱阻。結合刨削材料的高純度，刨削翅片散熱器的效率顯著高於焊接式散熱器，其導熱效率可與擠壓型材散熱器相媲美。
刮削製程也被應用於最近非常流行的微通道液體冷板中，其目的是增加熱交換的比表面積，增強對流換熱的效果。
刨削翅片散熱器的製造流程如下：
- 原料準備：通常根據散熱器要求選擇型材，以最大限度地節省原料。
- 模具/成型：根據產品尺寸製造模具，每個模具可生產一個或多個產品；操作可以是連續的，也可以是逐件的。
- CNC加工：包括銑削掉不需要的部分、銑削密封圈的凹槽等。
- 削皮製程：削皮製程採用數控削皮機進行執行。
- 滾齒（矯平）：這是透過滾齒機進行操作完成的。
- 二次加工：根據產品圖紙，這包括銑削邊緣鰭片、在中心鑽孔、創建間隙（避讓切削）、飛切表面、加工螺紋孔、創建緊固件特徵（扣座）等。
- 表面處理：陽極處理、電鍍等。
鋁擠型散熱器
鋁型材散熱器具有外觀美觀、重量輕、散熱性能優異、節能效果好等特性。成品鋁型材散熱器表面經陽極處理，以提高鋁的耐腐蝕性、耐磨性和外觀吸引力。鋁擠壓散熱器通常用於高功率散熱元件和系統。該技術可透過模具實現複雜的鰭片結構。這些複雜的鰭片顯著增加了散熱表面積，同時降低了鋁塊加工的成本和時間。
黏合翅片散熱器
黏合翅片散熱器通常採用組裝製程製造，該製程涉及將一層薄金屬翅片黏合到基座或基板上。
黏接翅片散熱器的一般製造流程如下：
- 準備工作：底座和散熱片通常由鋁或銅製成，需要仔細清潔，以確保黏合過程成功。
- 黏合：然後使用黏合劑（例如環氧樹脂或導熱化合物）將散熱片黏合到基座上。通常將黏合劑均勻塗抹在基座上，然後將散熱片放置在黏合劑上，並施加壓力以確保牢固黏合。
- 固化：然後對黏合劑進行固化，通常透過加熱或紫外線 (UV) 照射，以在鰭片和基座之間形成永久黏合。
- 組裝：如果散熱器需要額外的組件，例如安裝硬體或介面材料，則在此階段進行組件調整。
拉鍊式散熱片
這種散熱器將鋁製鰭片與熱管整合在一起。根據結構設計，在鋁製鰭片上沖壓出孔，插入指定尺寸的熱管，然後進行黏合和焊接。其優點在於利用熱管的相變效應來提高散熱器的整體傳熱效率。此外，外部鋁製鰭片顯著增加了單位體積的熱交換表面積，透過空氣對流熱交換迅速將熱量散發到外部環境中。
當然，散熱片的種類遠不止本文所列。不過，上文提到的幾種常見類型是目前電子設備中最常使用的。
散熱器的應用
散熱器的應用可謂無所不在，從航太、電力、冶金、光伏、軌道交通、汽車和通訊基地台等大型領域，到晶片、伺服器、消費性電子產品和家用電器等小型設備，都離不開它。凡是有電的地方，就必然需要散熱器的加固。
尤其在目前最關鍵的人工智慧運算伺服器中，散熱器是極為重要的散熱組件。就整個系統散熱而言，散熱器的結構完整性和散熱性能是決定伺服器長期穩定運作的關鍵因素。
液冷板被認為是散熱器的一種迭代升級產品形式，它利用液體的對流熱交換效應，更快地將熱量從熱源帶走。其散熱鰭片結構與流行的微通道液冷板類似，但鰭片結構的精度更高。鰭片之間的間隙通常小於1毫米，這對精密加工技術提出了極高的要求。
散熱器材料
主要材料為銅和鋁合金，其中銅在高端散熱管理領域佔據主導地位。鋁合金散熱器主要用於對散熱要求相對較低但對結構完整性和輕量化要求較高的大型環境應用，例如電力系統、光伏發電、汽車應用和通訊基地台。近年來，新型金屬複合材料不斷湧現，包括石墨烯基鋁、鑽石/鋁複合材料和鑽石/銅複合材料。
散熱器製造
目前核心的製造方法是數控加工和刮削。這些方法在中大型散熱器的生產效率和成本方面具有顯著優勢。然而，由於模具要求過高且模具成本極其昂貴，因此它們難以加工高精度微型散熱器和結構複雜的散熱器。
對於超薄鰭片散熱器，例如微通道液冷板，其通道間隙小於1mm甚至達到0.1mm，必須採用金屬3D列印技術。金屬3D列印技術能夠實現專為散熱優化而設計的複雜結構，從而在散熱性能方面取得突破性進展。例如，在高階AI運算加速卡的散熱解決方案中，它可以製造與晶片表面緊密貼合的保形非標結構。透過增加熱交換面積、優化流道設計以及強化流體混合，該技術實現了高效散熱，降低了泵浦的功耗，並有效防止了局部過熱。
此外，對於結構高度複雜的散熱器，傳統加工方法需要繁瑣的模具和準備工作，導致生產效率低、成本高昂。金屬3D列印技術完美地解決了這個問題，近年來在銅散熱器的列印解決方案方面取得了顯著突破。
