第 1 章 绪论
1.1 前言
近几年来，科学技术日新月异，随着半导体技术的飞速发展，计算机微处理器（CPU）逐渐朝小型化、多功能化和高效化的趋势发展，相对地，电路集成化程度越高，则其单位体积所散出的热量（发热密度）也越大，因此高温成了集成电路的大敌。高温不但会降低元器件性能，导致系统运行不稳定，从而影响系统的可靠性，缩短其使用寿命，甚至有可能使某些部件烧坏。导致高温的热量主要来自计算机内部，或者说是集成电路内部。散热片的作用就是将这些热量吸收，然后发散到机箱内或者机箱外，保证计算机部件的温度正常。多数散热片主要是通过和发热部件表面接触，吸收热量，再通过各种方法将热量传递到外部，比如机箱内的空气中，然后机箱将这些热空气传到机箱外，从而完成计算机的散热。
因此散热片的设计与制造问题显得十分重要。太阳花散热片是一种常用铝合金电脑散热片，它是由内（中心底座）向外（齿片）扩散式形态的散热片，其优势就在于能更均匀顺畅的接受风扇带来的气流，从而更均匀的带走热量，更强调了均匀散热的概念。这种散热片主要是通过挤压成型，但由于太阳花散热片的壁厚差过于悬殊，断面比值很大；放射型齿顶接近挤压筒边缘，中心与边部的金属流速差十分悬殊，难以控制；舌比大，悬臂长，支承刚度难以保证。如果按常规的方法设计与加工模具，很难获得合格的产品，而且模具也极易报废。因此，越来越多的模具设计者在不断研究散热片挤压模的设计，提高模具的使用寿命。
1.2 电脑散热片的发展历程
随着铝制散热片的发展，由于其结构简单、加工方便、散热效果好、成本低等优点而在电子设备中得到了广泛应用，其中电脑散热片的研究渐渐成为一个热门话题。从电脑散热片的发展过程、工艺和技术等角度，我们可以将电脑散热片的发展历程划分为五个阶段：
第一阶段：电脑散热片诞生于 486 时代，那时候的散热片还仅仅是一个薄薄的直径为4cm 的铝制散热片，没有使用风扇。而这个铝制散热片也仅仅使用了最简单的铝挤压工艺。
第二阶段：从奔腾时代开始，由于散热问题越来越受到人们的关注，所以散热片被广泛使用，其中使用最广的主要还是铝制散热片，也有少数厂商选择铜制散热片，这个时候散热片已经开始普遍使用风扇，因而带来噪音问题。由于 CPU 发热量不大，普通的散热片就能满足散热需要。
第三阶段：随着频率和晶体管集成规模的不断上升，CPU 的温度也成倍地增长，以往的廉价散热片已经远远不能满足 CPU 的散热需要，同时对高效散热片的需求也逐渐提上日程。此时，具备精密机械加工的先进电子制造工艺的日本、欧美、我国台湾省以及韩国等国家和地区，都开始采用一些新技术来制造散热片以满足市场的需求，散热片制造技术层出不穷，旧有的散热片设计思想不断被打破。各种散热片的加工工艺不断出现。
第四阶段：P4E 等发热大户的出现促使散热片的各种设计和工艺趋向成熟。
第五阶段：作为一个高效的散热片设计方案应包含一个尽可能大的散热片，并且配备一个强有力的风扇。一些好的设计方案还有一些特别的金属翅片设计，以保证气流在风扇的驱动下顺畅地通过，提高风扇的实际散热效果。当然，理想的解决方案还应包括液态冷却设备。
然而由于空间的影响，散热片不可能做的太大。这样，我们就应该从散热片的材质上考虑，研制和开发出新的合金材料，使其具有足够高的热传导率。目前全铜、高密度翅片以及采用热管技术发展趋势已不能适应更高的发热量，未来散热片的发展趋势应从散热片材质上考虑，因此研究和开发出新的合金材料具有深远的意义。
1.3 散热片的加工成型技术
从某些角度看，散热片的加工成型技术决定了散热片的最终性能，这也是厂商技术实力的最重要体现。目前散热片的主要成型技术有以下几类：
(1) 铝挤压技术
铝挤压技术简单的说就是将铝锭高温加热至约 520~540℃，在高压下让铝锭流经具有沟槽的挤压模具，做出散热片初胚，然再对散热片初胚进行裁剪、剖沟等处理后就做成了我们常见到的散热片。铝挤压技术较易实现，且设备成本相对较低，也使其在前些年的低端市场得到广泛的应用。一般常用的铝挤型材料为 AA6063，其具有良好热传导率(约 160~180 W/m.K)与加工性。
(2)铝压铸技术
除铝挤压技术外，另一个常被用来制造散热片的方式为铝压铸，通过将铝锭熔解成液态后，填充入金属模型内，利用压铸机直接压铸成型，制成散热片，采用压注法可以将鳍片做成多种立体形状，散热片可依需求做成复杂形状，亦可配合风扇及气流方向做出具有导流效果的散热片，且能做出薄且密的翅片来增加散热面积，因工艺简单而被广泛采用。一般常用的压铸型铝合金为 ADC12，由于压铸成型性良好，适用于做薄铸件，但因热传导率较差(约 96W/m.K)，现在国内多以 AA1070 铝料来作为压铸材料，其热传导率高达 200 W/m.K 左右，具有良好的散热效果。
第 2 章 型材挤压模具设计技术
2.1 铝合金型材挤压时的金属流动特性
金属在挤压时的塑性流动规律与挤压制品的组织、性能、表面质量、外形尺寸和形状精确度以及模具设计原则、工模具的寿命等有着十分密切的关系。在挤压时，任一外部或内部条件的改变，都会引起金属流动特性的变化，甚至会产生的很大差异，从而影响产品的质量。
2.1.1 挤压时金属流动的基本阶段
按金属流动特征和挤压力的变化，挤压时金属的流动情况一般可分为三个阶段。第一阶段称为开始挤压阶段，又称为填充挤压阶段。在此阶段，金属受到挤压轴的压力后，首先充满挤压筒和模孔，挤压力急剧直线上升直至最大值。第二阶段为基本挤压阶段或平流（稳定）挤压阶段。当挤压力达到突破压力（高峰压力），金属开始从模孔流出瞬间即进入此一阶段。一般来说，在此阶段中金属的流动相当于无数同心薄壁圆管的流动，即铸锭的内外层金属基本上不发生交错或反向的紊乱流动，锭坯上外层或中心层的金属流出模孔后仍处于制品的外层或中心层。在平流阶段，锭坯在同一横断面上的金属质点均以同一速度或保持一定的速度进入变形区压缩锥。靠近挤压垫片和模子角落处的金属不参与流动而形成难变形的阻滞区或死区，在此阶段中挤压力随着锭坯的长减少而下降。第三阶段为终了挤压阶段，或称紊流挤压阶段。在此阶段中，随着挤压垫片（已进入变形区内）与模子间距离的缩小，迫使变形区内的金属向着挤压轴线方向由周围向中心发生剧烈的径向流动，同时，两个难变形区内的金属也开始向模孔流动，从而形成第三挤压阶段所特有的缺陷“挤压缩尾”等缺陷。此时，工具对金属的冷却作用和强烈的摩擦作用，使挤压力迅速上升。这时应适时终止挤压操作过程。
第3章 太阳花散热片挤压模具设计 ........................31-42
3.1 太阳花散热片结构分析 ........................ 31-32
3.2 太阳花散热片挤压模具整体结构 ........................ 32
3.3 太阳花散热片分流组合模结构设计 ........................ 32-42
第4章 散热片模具制造工艺及质量的保证 ........................ 42-53
4.1 模具材料的选择 ........................ 42-44
4.2 两种典型电加工制模技术 ........................ 44-45
4.2.1 电火花加工 ........................ 44
4.2.2 电火花线切割加工 ........................ 44-45
4.3 散热片模具的制造要点 ........................ 45-46
4.4 提高模具寿命的研究 ........................ 46-51
4.4.1 模具的失效原理及分析 ........................ 46-49
4.4.2 提高模具寿命的主要途径 ........................ 49-51
4.5 散热片产生缺陷原因及解决方法 ........................ 51-53
结论
通过本课题的研究，使我们掌握了散热片挤压模具的具体设计方法以及设计过程中的难点和要点。挤压模具设计有两个重点部分，一是保证模具有足够的强度；二是平衡金属在模具中的流速。分流模在挤压时的金属流动比平模更复杂，所以如何平衡金属的流速是散热片又模具设计的关键点。为调节金属挤压流速，减小模面的挤压力，本课题对模具做了如下设计：
(1) 调整金属流速最主要的方法是工作带的设计。在合理布置分流孔的前提下，通过调整工作带的长短可以使金属流速得到有效调整。由于散热片的齿片又薄又长，所以我们打破常规工作的设计方法，将齿尖部位工作带长度设计成只有 0.35mm，这样能够有效地减小金属在齿尖部位的摩擦阻力，提高金属的流动速度。
（2）对于太阳花这样壁厚悬殊较大的型材，仅通过工作带来调整金属流速是不够的，需改变以往实心型材用平模挤压的方法，将模具设计成分流组合模的结构形式。通过对分流孔的合理设计，既能对金属流速起到调节的作用，又能降低模面的正压力。
（3）在保证模具强度的条件下，分流桥设计成似水滴形，能降低挤压力，促进金属的流动与焊合。
（4）设计了一个假模芯，在模芯头部位设计一个小凸台，能够有效地阻碍中心部位金属的流速。提高模具使用寿命是所有设计师追求的目标，本文还从模具设计、模具选材、热处理工艺、加工工艺和挤压工艺五个方面对模具使用寿命的影响进行了详细论述，并提出了具体的解决方案。
本文研究太阳花散热片挤压模具设计制造的整体思路以及实践中的几个突出问题，是根据工厂生产实践的经验总结，缺乏深度的理论分析。还需要从实际生产成功的例子中，收集各种数据进行数学分析，进行提炼和升华，变定性分析为定量分析，改变传统的挤压模具设计方式。另一方面，要大力发挥 CAD/CAE/CAM 的巨大作用，用现代计算机辅助设计和制造，结合个人的设计经验，达到完美的散热片挤压模具的设计制造。例如，采用 CAE分析软件，能够形象地模拟金属在模具中的挤压情况，有效地分析各结构参数对模具的影响，对模具进行优化设计，从而提高模具设计质量和效率，实现模具开发的高质量、低成本、短周期。
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