Kajian Mekanisme Toleransi Ketebalan dan Kekasaran Permukaan Cakram Aluminium dalam Meningkatkan Efisiensi Konduktivitas Termal

Abstrak

Karena konduktivitas termalnya yang sangat baik (konduktivitas termal aluminium murni, λ≈237W/(m・K)), cakram aluminium banyak digunakan dalam heat sink elektronik, piring pemanas peralatan masak, manajemen termal baterai energi baru, dan bidang lainnya. Efisiensi konduktivitas termalnya secara langsung menentukan stabilitas kinerja produk akhir (seperti kontrol kenaikan suhu chip dan keseragaman pemanasan peralatan masak). Berdasarkan Hukum Konduksi Panas Fourier dan teori ketahanan termal antarmuka, makalah ini secara sistematis menganalisis mekanisme pengaruh toleransi ketebalan (biasanya dikontrol dalam ±0,02~±0,1mm) dan kekasaran permukaan (Ra=0,05~1,0μm) cakram aluminium pada efisiensi konduktivitas termal: Toleransi ketebalan mempengaruhi keseragaman fluks panas dengan mengatur konsistensi jalur konduksi panas dan distribusi tekanan kontak antarmuka; kekasaran permukaan mendominasi besarnya ketahanan termal antarmuka dengan mengubah area kontak aktual dan keadaan film oksida permukaan. Dikombinasikan dengan GB/T 3880.3 (Standar Toleransi Ketebalan), GB/T 1031 (Standar Kekasaran Permukaan), dan analisis elemen hingga (FEA) data simulasi, kontribusi kedua parameter ini terhadap efisiensi konduktivitas termal diukur (mengoptimalkan toleransi ketebalan dapat meningkatkan efisiensi konduktivitas termal sebesar 8%~15%, sementara mengoptimalkan kekasaran permukaan dapat meningkatkannya sebesar 12%~20%). Strategi pengoptimalan kolaboratif khusus skenario untuk parameter diusulkan, dan efektivitasnya diverifikasi melalui studi kasus heat sink elektronik dan peralatan masak, memberikan landasan teori dan teknik untuk meningkatkan konduktivitas termal cakram aluminium.

HW-A. Perkenalan

Dalam sistem perpindahan panas, cakram aluminium berfungsi sebagai komponen penghantar panas inti, dan efisiensi konduktivitas termalnya dipengaruhi oleh keduanya “konduktivitas termal intrinsik bahan” Dan “keadaan geometris/permukaan”. Saat material sudah diperbaiki (misalnya, 1060 aluminium murni, 6061 paduan aluminium), parameter geometris (toleransi ketebalan) dan keadaan permukaan (kekasaran) menjadi faktor regulasi utama. Menurut survei yang dilakukan oleh Asosiasi Industri Komponen Elektronik China, di dalam 2024, 28% Kegagalan konduksi panas pada unit pendingin di Tiongkok disebabkan oleh toleransi ketebalan cakram aluminium yang berlebihan (>±0,05mm), Dan 35% terlampauinya ketahanan termal antarmuka disebabkan oleh kekasaran permukaan yang tidak tepat (Ra>0.8m). Misalnya, jika toleransi ketebalan cakram aluminium yang digunakan pada heat sink CPU meningkat dari ±0,02 mm menjadi ±0,1 mm, kenaikan suhu chip akan meningkat 8~12℃; jika Ra cakram aluminium untuk pelat pemanas peralatan masak meningkat dari 0,2μm menjadi 1,0μm, penyimpangan keseragaman pemanasan akan meluas hingga lebih dari 15%. Karena itu, memperjelas mekanisme kerja toleransi ketebalan dan kekasaran permukaan merupakan nilai teknik yang besar untuk meningkatkan efisiensi konduktivitas termal cakram aluminium.

HW-B. Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Inti dan Landasan Teori Efisiensi Konduktivitas Termal Cakram Aluminium

A. Indikator Kuantitatif dan Sistem Evaluasi Efisiensi Konduktivitas Termal

Konduktivitas Termal (aku): Mencirikan kapasitas penghantar panas intrinsik suatu bahan. λ cakram aluminium dipengaruhi oleh komposisi paduan (=237W/(m・K) untuk 1060 aluminium murni, =155W/(m・K) untuk 6061 paduan aluminium). Parameter geometris dan permukaan tidak mengubah λ, tetapi secara tidak langsung mengubah efisiensi konduktivitas termal secara keseluruhan dengan mempengaruhi jalur perpindahan panas.

Ketahanan Termal Antarmuka (R_kontak): Resistansi termal antara cakram aluminium dan komponen kontak (misalnya, keripik, tabung pemanas), menyumbang 60%~80% dari total ketahanan termal. Rumusnya adalah: \(R_{kontak} = frac{1}{h_c \cdot A_{nyata}}\)

Di mana \(h_c\) adalah koefisien perpindahan panas kontak (Dengan/(m²・K)), Dan \(A_{nyata}\) adalah area kontak sebenarnya (m²). Kekasaran permukaan mempengaruhi secara langsung \(A_{nyata}\), sedangkan toleransi ketebalan berpengaruh secara tidak langsung \(h_c\) melalui tekanan kontak.

Keseragaman Fluks Panas (Δq): Penyimpangan fluks panas per satuan luas. Rumusnya adalah: \(\Delta q = \frac{\lambda \cdot \Delta T}{\Delta d}\)

Di mana \(\Delta T\) adalah perbedaan suhu (K), Dan \(\Delta d\) adalah penyimpangan ketebalan (M). Toleransi ketebalan secara langsung menentukan \(\Delta d\), sehingga mempengaruhi keseragaman distribusi fluks panas.

B. Landasan Teori Utama

Hukum Fourier tentang Konduksi Panas: Fluks panas yang melalui piringan aluminium adalah \(Q = \lambda \cdot A \cdot \frac{\Delta T}{D}\), Di mana \(A\) adalah daerah semu (m²), Dan \(d\) adalah ketebalan yang dirancang (M). Ketika ada toleransi ketebalan, ketebalan sebenarnya \(D_{nyata} = d \pm \Delta d\), menyebabkan penyimpangan dalam \(Q\). Tingkat penyimpangan berkorelasi positif dengan \(\Delta d/d\).

Teori Antarmuka Kontak Resistensi Termal: Area kontak sebenarnya \(A_{nyata}\) permukaan kasar jauh lebih kecil dibandingkan luas semu \(A_{tampak}\). Kontak terjadi dalam bentuk “tonjolan mikro”, dan fluks panas harus ditransfer melalui tonjolan mikro ini, sehingga meningkatkan ketahanan termal. Semakin kecil kekasaran permukaannya, semakin besar rasionya \(A_{nyata}/A_{tampak}\), dan semakin kecil \(R_{kontak}\).

HW-C. Mekanisme Toleransi Ketebalan dalam Meningkatkan Efisiensi Konduktivitas Termal Cakram Aluminium

Toleransi ketebalan mengacu pada penyimpangan yang diijinkan antara ketebalan aktual dan ketebalan yang dirancang (misalnya, GB/T 3880.3 menetapkan bahwa untuk cakram aluminium dengan ketebalan 3~5mm, toleransi presisi tinggi adalah ±0,03mm, dan toleransi umum adalah ±0,08mm). Perannya terutama tercermin dalam tiga dimensi:

A. Memastikan Konsistensi Jalur Konduksi Panas dan Mengurangi Kehilangan Fluks Panas

Dampak Langsung Penyimpangan Ketebalan terhadap Fluks Panas: Bila terjadi penyimpangan ketebalan pada piringan alumunium, fluks panas terkonsentrasi di area yang lebih tipis (itu “efek konsentrasi fluks panas”), menyebabkan overheating lokal. Misalnya, untuk a 1060 cakram aluminium dengan ketebalan yang dirancang 3mm, jika deviasi ketebalan ±0,02mm, tingkat deviasi fluks panas saja 3.5%; jika deviasi meningkat menjadi ±0,1 mm, tingkat deviasi fluks panas meningkat menjadi 18.2%. Kepadatan fluks panas lokal yang terlalu tinggi menyebabkan kelelahan termal pada material, semakin mengurangi efisiensi konduktivitas termal.

Verifikasi Simulasi FEA: Simulasi cakram aluminium untuk heat sink CPU (diameter 50mm, ketebalan yang dirancang 3mm) menunjukkan:

- Ketika toleransinya ±0,02mm, penyimpangan keseragaman distribusi fluks panas adalah 4.2%, dengan kenaikan suhu maksimum 38℃;

- Ketika toleransinya ±0,05mm, deviasi keseragaman meningkat menjadi 9.8%, dengan kenaikan suhu maksimum 45℃;

- Ketika toleransi ± 0,1 mm, penyimpangan keseragaman tercapai 17.5%, dengan kenaikan suhu maksimum 52℃.

Hal ini menunjukkan bahwa toleransi ketebalan yang lebih kecil menghasilkan jalur konduksi panas yang lebih konsisten dan kehilangan fluks panas yang lebih sedikit.

B. Mengoptimalkan Distribusi Tekanan Kontak Antarmuka dan Mengurangi Resistansi Termal Kontak

Korelasi Antara Toleransi Ketebalan dan Tekanan Kontak: Tekanan tertentu (misalnya, 50~100N untuk rakitan unit pendingin) diperlukan selama perakitan cakram aluminium. Jika ada penyimpangan ketebalan, tekanan terkonsentrasi di area yang lebih tebal, mengakibatkan tekanan yang tidak mencukupi di area yang lebih tipis dan penurunan \(h_c\). Misalnya, untuk cakram aluminium dengan deviasi ketebalan ±0,05mm, penyimpangan distribusi tekanan setelah perakitan tercapai 35%, Dan \(h_c\) di daerah yang lebih tipis saja 60% dari nilai yang dirancang; untuk cakram aluminium dengan toleransi ±0,02mm, penyimpangan distribusi tekanan saja 12%, dan itu \(h_c\) tingkat retensi melebihi 90%.

Perbandingan Data Eksperimental: Uji ketahanan termal kontak dilakukan pada 6061 cakram paduan aluminium (diameter 80mm, ketebalan yang dirancang 4mm), dengan hasil sebagai berikut:

Toleransi Ketebalan (mm)	Tekanan Kontak (N)	Deviasi Distribusi Tekanan (%)	Hubungi Resistensi Termal \(R_{kontak}\) (K·m²/W)	Efisiensi Konduktivitas Termal Relatif (%)
±0,02	80	12	0.0008	100
±0,05	80	35	0.0012	85
±0,10	80	62	0.0018	72

C. Mengurangi Deformasi Stres dan Menghindari Gangguan Jalur Konduksi Panas

Masalah Stres Akibat Ketebalan Tidak Merata: Selama penggulungan atau perlakuan panas pada cakram aluminium, penyimpangan ketebalan yang berlebihan menyebabkan tekanan internal (misalnya, tegangan internal cakram aluminium dengan deviasi ketebalan ±0,1mm dapat mencapai 50~80MPa). Setelah perakitan, deformasi lentur mungkin terjadi, mengakibatkan celah antara cakram aluminium dan komponen kontak (kesenjangan >5μm secara signifikan meningkatkan ketahanan termal).

Dampak Deformasi pada Konduksi Termal: Besarnya deformasi lentur berkorelasi positif dengan toleransi ketebalan, seperti yang ditunjukkan pada rumus: \(\delta = \frac{k \cdot (\Delta d)^2}{E \cdot d}\)

Di mana \(k\) adalah faktor bentuk (≈0,3), Dan \(E\) adalah modulus elastisitas aluminium (70IPK). Kapan \(\Delta d = 0.1mm\) Dan \(d = 3mm\), \(\delta = 0.021mm\) (21m), jauh melebihi ambang batas celah 5μm. Pada titik ini, ketahanan termal antarmuka meningkat tajam sebesar 3~5 kali lipat.

HW-D. Mekanisme Kekasaran Permukaan dalam Meningkatkan Efisiensi Konduktivitas Termal Cakram Aluminium

Kekasaran permukaan (Ra) mengacu pada nilai rata-rata aritmatika dari ketidakrataan mikroskopis suatu permukaan (GB/T 1031 menetapkan bahwa kisaran Ra umum untuk benda kerja aluminium adalah 0,025~6,3μm). Perannya berfokus pada pengaturan ketahanan termal antarmuka, dengan mekanisme inti termasuk:

A. Meningkatkan Area Kontak Aktual dan Mengurangi Ketahanan Termal Antarmuka

Hubungan Kuantitatif Antara Kekasaran dan Area Kontak: Rasio \(A_{nyata}/A_{tampak}\) untuk permukaan halus (Ra≤0.2μm) bisa mencapai 30%~40%, sedangkan untuk permukaan kasar (Ra≥1.0μm) hanya 5%~10%. Misalnya, ketika cakram aluminium dengan Ra=0,2μm bersentuhan dengan sebuah chip, \(A_{nyata} = 0.35 \cdot A_{tampak}\) Dan \(R_{kontak} = 0.0007K·m²/W\); ketika Ra meningkat menjadi 1,0μm, \(A_{nyata} = 0.08 \cdot A_{tampak}\) Dan \(R_{kontak} = 0.0032K·m²/W\), dengan resistensi termal meningkat sebesar 4.6 kali.

Dampak Mikro-Morfologi: Itu “ketinggian puncak ke lembah” (Rz) ketidakrataan mikro permukaan juga penting. Untuk permukaan dengan Ra yang sama tetapi Rz berbeda, perbedaannya \(A_{nyata}\) bisa mencapai 20%~30%. Misalnya, ketika Ra=0,5μm, itu \(A_{nyata}\) permukaan dengan Rz=2,0μm adalah 28% lebih tinggi dari itu dengan Rz=4.0μm, karena puncak dan lembahnya lebih datar, memungkinkan kontak tonjolan mikro yang lebih memadai.

B. Mengatur Keadaan Film Oksida Permukaan dan Mengurangi Ketahanan Termal Oksida

Karakteristik Ketahanan Termal Film Oksida: Konduktivitas termal film oksida alami (Al₂O₃) pada permukaan cakram aluminium hanya 10~15W/(m・K), jauh lebih rendah dibandingkan aluminium (237Dengan/(m・K)). Ketebalan film oksida (biasanya 5 ~ 10nm) berhubungan dengan kekasaran:

- Permukaan halus (Ra≤0.2μm): Film oksida seragam dan tipis (5~7nm), dengan ketahanan termal oksida \(R_{oksida} = 0.0002K·m²/W\);

- Permukaan kasar (Ra≥0,8μm): Tonjolan permukaan rentan terhadap oksidasi preferensial, menghasilkan ketebalan film oksida 10~15nm dengan distribusi yang tidak merata, Dan \(R_{oksida} = 0.0005K·m²/W\), dengan resistensi termal meningkat sebesar 1.5 kali.

Verifikasi Eksperimental: Tes film oksida dilakukan pada 1060 cakram aluminium, dengan hasil sebagai berikut:

Kekasaran Permukaan Ra (m)	Ketebalan Film Oksida (nm)	Ketahanan Termal Oksida \(R_{oksida}\) (K·m²/W)	Ketahanan Termal Antarmuka Total \(R_{total}\) (K·m²/W)	Efisiensi Konduktivitas Termal Relatif (%)
0.1	6	0.0002	0.0009	100
0.5	8	0.0003	0.0015	82
1.0	14	0.0005	0.0032	58

C. Beradaptasi dengan Media Penghantar Panas dan Mengoptimalkan Efisiensi Perpindahan Panas

Skenario Tanpa Media Penghantar Panas (misalnya, Kontak Kering): Ra perlu diminimalkan (≤0,3μm) untuk meningkat \(A_{nyata}\). Misalnya, cakram aluminium yang digunakan dalam peralatan vakum memerlukan Ra untuk dikontrol dalam 0,1~0,2μm; jika tidak, ketahanan termal kontak kering akan melebihi ambang batas desain.

Skenario Dengan Media Penghantar Panas (misalnya, Gemuk Termal, Bantalan Termal): Kekasaran harus sesuai dengan ukuran partikel medium. Misalnya, ketika ukuran partikel pelumas termal adalah 5~10μm, Ra harus dikontrol dalam 0,5~0,8μm, yang tidak hanya memungkinkan medium mengisi celah lembah puncak tetapi juga mencegah ketebalan medium yang berlebihan (ketebalan yang berlebihan meningkatkan ketahanan termal sedang). Eksperimen menunjukkan bahwa ketika Ra=0,6μm dicocokkan dengan pelumas termal berukuran partikel 8μm, \(R_{kontak}\) adalah 25% lebih rendah dari itu dengan Ra=0,2μm (pengisian sedang tidak mencukupi) Dan 40% lebih rendah dari itu dengan Ra=1.0μm (ketebalan sedang yang berlebihan).

HW-E. Efek Interaktif dan Optimasi Kolaboratif Toleransi Ketebalan dan Kekasaran Permukaan

A.Mekanisme Efek Interaktif

Toleransi Ketebalan Mendominasi Tekanan Kontak, Sedangkan Kekasaran Mendominasi Area Kontak: Jika toleransi ketebalan terlalu besar (>±0,05mm), bahkan jika Ra dioptimalkan hingga 0,2μm, distribusi tekanan kontak yang tidak merata masih akan menyebabkan lokal tidak mencukupi \(A_{nyata}\), sehingga sulit untuk dikurangi \(R_{kontak}\); sebaliknya, jika Ra terlalu besar (>0.8m), bahkan jika toleransi ketebalan dikontrol dalam ±0,02 mm, yang kecil \(A_{nyata}\) masih akan menyebabkan \(R_{kontak}\) melebihi standar.

Kuantifikasi Efek Interaktif: Uji efisiensi konduktivitas termal dilakukan pada cakram aluminium dengan kombinasi parameter berbeda (1060 aluminium murni, diameter 60mm, ketebalan yang dirancang 3mm), dengan hasil sebagai berikut:

Toleransi Ketebalan (mm)	Kekasaran Permukaan Ra (m)	Penyimpangan Distribusi Tekanan Kontak (%)	Rasio Area Kontak Aktual (%)	Efisiensi Konduktivitas Termal Total (W/K)	Potensi Peningkatan Efisiensi (%)
±0,02	0.2	12	38	14.2	100 (Dasar)
±0,02	0.8	13	15	9.8	69
±0,10	0.2	65	22	8.5	60
±0,10	0.8	68	8	5.3	37

B. Strategi Optimasi Kolaboratif Spesifik Skenario

Skenario Pendingin Elektronik (misalnya, CPU, DIPIMPIN):

- Persyaratan Inti: Ketahanan termal antarmuka rendah, keseragaman fluks panas yang tinggi;

- Parameter yang Dioptimalkan: Toleransi ketebalan ±0,02~±0,03mm (GB/T 3880.3 Kelas Presisi Tinggi), Ra=0,1~0,3μm (proses pemolesan listrik);

- Tindakan Pendukung: Gunakan pelumas termal (ukuran partikel 5~8μm) untuk mengisi kesenjangan mikro, pengurangan lebih lanjut \(R_{kontak}\).

Skenario Pelat Pemanas Peralatan Masak (misalnya, Penanak Nasi, Kompor Induksi):

- Persyaratan Inti: Keseragaman pemanasan, ketahanan aus;

- Parameter yang Dioptimalkan: Toleransi ketebalan ±0,03~±0,05mm (menyeimbangkan biaya dan keseragaman), Ra=0,3~0,5μm (proses penggilingan presisi);

- Tindakan Pendukung: Anodisasi permukaan (ketebalan film 5~8nm) untuk melindungi permukaan sekaligus menghindari ketahanan termal oksida yang berlebihan.

Skenario Manajemen Termal Baterai Energi Baru (misalnya, Pelat Pendingin Baterai Daya):

- Persyaratan Inti: Konduktivitas termal yang tinggi, ketahanan terhadap korosi;

- Parameter yang Dioptimalkan: Toleransi ketebalan ±0,03~±0,04mm, Ra=0,2~0,4μm (proses pemolesan kimia);

- Tindakan Pendukung: Pelapisan permukaan dengan gel silika termal (ketebalan 10~20μm) untuk beradaptasi dengan persyaratan kontak tab baterai.

HW-F. Verifikasi Kasus Aplikasi Khas

A. Kasus Optimasi Cakram Aluminium untuk Pendingin CPU

Parameter Asli: 6061 paduan aluminium, ketebalan 3mm, toleransi ±0,08mm, Ra=0,8μm;

Parameter yang Dioptimalkan: Toleransi disesuaikan hingga ±0,02 mm (dikendalikan oleh pabrik penggilingan dingin empat tinggi), Ra dikurangi menjadi 0,2μm (pemolesan listrik);

Hasil Tes:

1. Resistansi termal antarmuka menurun dari 0,0021K・m²/W menjadi 0,0009K・m²/W, pengurangan sebesar 57%;

1. Kenaikan suhu beban penuh CPU menurun dari 55℃ menjadi 42℃, pengurangan sebesar 24%;

1. Penyimpangan keseragaman fluks panas menurun dari 16% ke 4.5%, memenuhi persyaratan pembuangan panas prosesor Intel Core i7.

B. Kasus Optimalisasi Cakram Aluminium untuk Pelat Pemanas Kompor Induksi

Parameter Asli: 1060 aluminium murni, ketebalan 4mm, toleransi ±0,1mm, Ra=1,0μm;

Parameter yang Dioptimalkan: Toleransi disesuaikan hingga ±0,05 mm (penggulungan presisi tinggi), Ra dikurangi menjadi 0,4μm (penggilingan presisi);

Hasil Tes:

1. Penyimpangan keseragaman pemanasan menurun dari 18% ke 7%, memenuhi persyaratan “keseragaman pemanasan ≤10%” dalam GB 4706.29-2008;

1. Efisiensi termal meningkat dari 85% ke 92%, penghematan 0.12 kWh per jam;

1. Ketebalan film oksida permukaan menurun dari 15nm menjadi 8nm, pengurangan sebesar 47% dalam ketahanan termal oksida.

HW-G. Kesimpulan dan Prospek

Toleransi ketebalan dan kekasaran permukaan cakram aluminium memainkan peran kunci sebagai “jaminan jalur” Dan “optimasi antarmuka” dalam meningkatkan efisiensi konduktivitas termal: Toleransi ketebalan mengurangi kehilangan fluks panas dan risiko deformasi dengan mengontrol konsistensi jalur konduksi panas dan distribusi tekanan kontak, dengan kontribusi pengoptimalan 8%~15%; kekasaran permukaan mengurangi ketahanan termal antarmuka dengan meningkatkan area kontak aktual dan mengatur keadaan film oksida, dengan kontribusi pengoptimalan 12%~20%. Efek kolaboratifnya dapat meningkatkan efisiensi konduktivitas termal sebesar 30%~40%.

Arah pembangunan masa depan harus fokus pada: 1. Proses manufaktur dengan presisi tinggi (misalnya, kontrol toleransi ketebalan secara real-time hingga ±0,01 mm menggunakan pengukur ketebalan laser, mencapai Ra≤0.05μm melalui pemolesan magnetorheologis); 2. Pencocokan parameter cerdas (secara otomatis merekomendasikan toleransi ketebalan dan kombinasi kekasaran berdasarkan skenario aplikasi menggunakan algoritma AI); 3. Modifikasi fungsional permukaan (misalnya, mengurangi ketahanan termal film oksida dengan lapisan nano sambil mempertahankan kekasaran yang rendah), untuk lebih menerobos hambatan efisiensi konduktivitas termal cakram aluminium.