Koperen koellichamen en koeloplossingen

Invoering

Koper is al lange tijd een van de belangrijkste materialen voor elektronicakoeling, dankzij de uitstekende thermische geleidbaarheid en betrouwbaarheid. Naarmate de vermogensdichtheid in consumentenelektronica, servers en AI-datacenters blijft stijgen, heeft koper zich ontwikkeld van een traditioneel koellichaam tot een essentiële factor voor de volgende generatie. koeloplossingenIn dit artikel worden de basisprincipes van de thermische prestaties van koper besproken, evenals de belangrijkste soorten kopercomponenten en de rol ervan in opkomende koeltechnologieën.

Waarom koper? Thermische kerneigenschappen

• Hoge thermische geleidbaarheid:De thermische geleidbaarheid van koper bedraagt 401 W/(m·K), na zilver, maar dan een fractie van de prijs.
• Soortelijke warmtecapaciteit:Bij 385 J/(g·K)Koper absorbeert en slaat warmte effectief op.
• Smeltpunt:1083°C, ver buiten het werkingsbereik van elektronische apparaten, waardoor stabiliteit wordt gegarandeerd.
• Kristalstructuur:Het kubische rooster met vlakcentrum (FCC) zorgt voor vrije elektronenbeweging, wat snelle warmteoverdracht mogelijk maakt.

Vergeleken met aluminium (237 W/(m·K)) biedt koper een duidelijk prestatievoordeel in toepassingen met een hoge vermogensdichtheid, zoals GPU's, CPU's en 5G-basisstations.

Kern koperen koelcomponenten

1. Koperen basisplaten

• Functie:Direct contact met warmtebronnen (CPU, GPU, LED-module).
• Specificaties:Dikte 3–10 mm; vlakheid ≤0,05 mm; geleidbaarheid ≥380 W/(m·K).
• Toepassingen:Server CPU-koelers, LED-modules.

2. Koperfolie

• Functie:Ultradunne warmteverspreidende laag.
• Specificaties:Dikte 0,5–0,3 mm; eenvoudig te stempelen.
• Toepassingen:Koeling voor smartphone-SoC's, flexibele printplaten.

3. Koperblokken

• Functie:Lokale warmteopslag en -diffusie.
• Specificaties:Inhoud 5–50 cm³.
• Toepassingen:GPU-geheugenmodules, RF-modules in 5G-basisstations.

Geavanceerde warmteoverdrachtcomponenten

Heatpipes

• Structuur:Koperen buis, gesinterde lont, werkvloeistof.
• Prestatie:Effectieve thermische geleidbaarheid 5000–10000 W/(m·K).
• Toepassingen:Laptop-CPU's, GPU-koelmodules.

Dampkamers

• Structuur:Vlakke koperen holte met microkanalen.
• Voordelen:2D-warmteverspreiding; 3–5× groter diffusieoppervlak dan heatpipes.
• Toepassingen:High-end smartphones, ultradunne laptops.

Koperen warmteafvoer-extensies

• Koperen vinnen:Dikte van 1–0,3 mm, geoptimaliseerd voor turbulentie en convectie.
• Koperen radiatoren:Wordt gebruikt in vloeistofkoelcircuits voor HPC en datacenters.

Koper in vloeistofkoelsystemen

• Koperen koelplaten:Microkanaalontwerpen (0,5–2 mm) die een warmtestroom van >100 W/cm² aankunnen.
• Snelkoppelingen:Vernikkeld koper, lekvrij ontwerp voor datacenteronderhoud.

Innovatieve kopertechnologieën

• Gesinterde koperen lont:Voor heatpipes en dampkamers.
• 3D-geprinte koperen koellichamen:Topologie-geoptimaliseerde structuren met een tot 3× groter oppervlak.
• Koperplating op kunststoffen/aluminium:Kosteneffectieve lokale warmteafvoer.

Koper in 3C-elektronica

• Smartphones:Koperfolies + dampkamers verlagen de SoC-temperatuur met 8–12°C vergeleken met grafietplaten.
• Laptops:Hybride ontwerpen met meerdere heatpipes en dampkamers bereiken een warmtestroom tot 80 W/cm².
• Draagbare apparaten en TWS-oordopjes:Ultradunne koperfilms en kopercoatings zorgen voor een betere warmteverspreiding zonder dat dit ten koste gaat van het gewicht.

Koper in AI-servers en datacenters

• GPU/CPU-koeling:De NVIDIA H100 GPU-koelplaat maakt gebruik van koperen microkanalen (hydraulische diameter van 0,5 mm) met een extreem lage thermische weerstand (0,08°C/W).
• Immersiekoeling:Buizen van zuiver koper met passiveringslaag zijn bestand tegen diëlektrische vloeistofomgevingen.
• Vermogensmodules:Direct Copper Bonded (DCB)-substraten en koperen busbars zorgen voor een lage weerstand en hoge betrouwbaarheid.

Uitdagingen en toekomstige richtingen

• Gewicht en kosten:Koper is zwaarder en duurder dan aluminium. Oplossingen zijn onder meer koper-grafietcomposieten, poreus koper en gerecycled koper (tot 95% hergebruik).
• Geavanceerde productie:3D-printen, nanogesinterde verbindingen en microjet-koperarrays zorgen voor een lagere thermische weerstand dan bij traditioneel bewerken.
• Hybride materialen:Koper-diamant- en koper-grafeencomposieten streven naar een ultrahoge geleidbaarheid (>600 W/m·K), maar de kosten vormen nog steeds een belemmering.

Conclusie

De ongeëvenaarde thermische prestaties van koper zorgen ervoor dat het een blijvende rol speelt in koeling van krachtige elektronicaHoewel er nog steeds uitdagingen bestaan ​​op het gebied van gewicht en kosten, zijn er innovaties in kopercomposieten, additieve productie en integratie van vloeistofkoelingtransformeren koper van een basismateriaal tot een strategische facilitator voor warmtebeheer van de volgende generatie.

Omdat 3C-apparaten om ultradunne oplossingen vragen en AI-servers meer dan 40 kW per rack leveren, blijft koper de kern van thermisch beheer. De ontwikkeling gaat van incrementele verbeteringen naar echte baanbrekende innovaties.