在微观层面，铜的face-centered cubic (FCC)晶体结构为其提供了卓越的导热性能。FCC结构中，每个铜原子与12个最近邻原子形成紧密堆积，自由电子在晶格中移动几乎不受阻碍，这种高度自由的电子云使得铜能够快速传递热能。相比之下，铝(热导率237 W/(m·K))的导热性能明显逊色，特别是在高功率密度应用中差异更为显著。
- 功能：直接接触热源（如CPU/GPU芯片），快速传导热量。
- 典型参数：厚度3–10mm，表面平整度≤0.05mm，热导率≥380 W/(m·K)。
- 应用：服务器CPU散热器底座、LED照明模块。
2、铜箔（Copper Foil）
- 功能：用于薄型设备的均热层。
- 典型参数：厚度0.05–0.3mm，可冲压成复杂形状。
- 应用：智能手机SoC背面、柔性电路板散热。
3、铜块（Copper Block）
- 功能：局部高热流密度区域的热量蓄积与扩散。
- 典型参数：体积5–50cm³，常见于被动散热设计。 应用：显卡显存散热、5G基站射频模块。
- 结构：铜管壳+烧结铜粉毛细芯+工作流体（水/丙酮）。
- 性能：有效导热系数可达5000–10000 W/(m·K)，是纯铜的10–20倍。
- 规格：直径3–8mm，长度50–300mm（笔记本常用5–6mm直径）。
- 应用：笔记本电脑、服务器GPU散热模组。
2、均温板（Vapor Chamber）
- 结构：扁平铜腔体+内部微通道/烧结芯，工作原理类似热管。
- 优势：二维散热，热扩散面积比热管大3–5倍。
- 典型尺寸：厚度0.4–1.5mm，面积20–100cm²（手机用小型均温板可薄至0.3mm）。
- 应用：高端智能手机、超薄笔记本。
- 设计：单片厚度0.1–0.3mm，间距1–3mm，通过焊接或穿Fin工艺与基板结合。
- 优化方向：锯齿状/波浪形边缘设计增加湍流，提升对流效率10–15%。
- 应用：风冷散热器（如CPU塔式散热器）、电源模块。
2、铜质冷排（Copper Radiator）
- 结构：铜管（φ6–12mm）+铝/铜翅片，用于液冷系统。
- 性能：单机架级冷排表面积通常需6–10m²（40kW散热需求）。
- 应用：数据中心浸没式液冷、高性能计算（HPC）集群。
- 特性：铜粉/石墨填充的柔性垫片，热导率5–20 W/(m·K)。
- 优势：填补不平整表面间隙（压缩率20–30%）。
- 应用：SSD主控散热、车载电子。
2.铜-石墨复合材料
- 比例：铜占比60–80%，石墨提供各向异性导热
- 性能：面内热导率400–600 W/(m·K)，重量比纯铜轻40%。
- 应用：超薄笔记本中盖、无人机飞控板。
3.直接铜键合基板（DCB, Direct Copper Bonded）
- 结构：陶瓷（Al₂O₃/AlN）夹层铜板，铜层厚0.2–0.5mm。
- 特点：耐高压（>2kV）、低热阻（0.2–0.3 K·cm²/W）。
- 应用：IGBT模块、电动汽车逆变器。
- 设计：内部微通道（0.5–2mm宽），流量3–10L/min时ΔP<50kPa。
- 高性能型号：针对AI服务器GPU，热流密度处理能力>100W/cm²。
- 应用：NVIDIA HGX系统、超算液冷模块。
铜质快拧接头（Quick Disconnect Fittings）
- 要求：表面镀镍防腐蚀，耐压≥1MPa，泄漏率<1×10⁻⁶ mbar·L/s。
- 应用：数据中心可维护式液冷回路。
- 孔隙率：50–70%，孔径10–100μm，比表面积>0.5m²/g。
- 用途：热管毛细芯、相变材料（PCM）载体。
3D打印铜散热器
- 工艺：选择性激光熔化（SLM），最小壁厚0.2mm。
- 优势：拓扑优化结构，表面积比传统设计高3倍。
- 应用：定制化服务器散热、航天电子设备。
镀铜散热结构
- 技术：塑料/铝合金表面电镀铜（2–20μm厚）。
- 目的：低成本实现局部高效导热（如TWS耳机充电触点）。
| 特性 | 铜 | 铝（对比参考） |
|---|---|---|
| 热导率 | 401 W/(m·K) | 237 W/(m·K) |
| 熔点 | 1083°C | 660°C |
| 典型加工工艺 | 烧结、压铸、电镀 | 挤压、压铸 |
| 成本（相对值） | 1.5–2倍于铝 | 基准 |
| 适用场景 | 高功率密度区域 | 中低功耗设备 |
现代智能手机散热已从早期石墨片发展到复合散热方案。典型旗舰机型采用多层结构：SoC与铜箔直接接触(厚度0.1-0.3mm)，通过导热凝胶连接至铜制均温板(厚度0.4-0.6mm)，外层覆盖石墨烯膜增强横向导热。实测数据显示，采用铜的均温板可使SoC结温降低8-12°C，显著优于纯石墨方案。苹果iPhone 14 Pro的A16芯片采用铜合金散热框架，热阻降低约15%；而三星Galaxy S23 Ultra的真空腔均温板面积达到2724mm²，配合铜网格结构实现整机均匀散热。
笔记本电脑中的铜热管
高性能笔记本散热系统通常包含2-4根铜热管，直径5-8mm，壁厚0.3-0.5mm。ROG Zephyrus G14等产品采用3D均热板技术，将传统热管与均温板结合，热通量提升至80W/cm²。值得注意的是，热管内部铜粉烧结芯的孔隙率控制在50-70%时，毛细力与流体阻力达到最佳平衡，可实现30-50cm的有效传热距离。部分厂商开始尝试铜-石墨复合材料，在保持85%铜导热性能的同时，重量减轻40%。
微型化设备中的铜散热
可穿戴设备受限于空间，采用超薄铜膜(厚度<100μm)结合相变材料(PCM)。华为Watch GT3 Pro使用0.08mm铜箔与石蜡复合材料，热容提升30%。TWS耳机则普遍采用铜镀膜技术，在塑料结构表面沉积2-5μm铜层，既控制重量又改善局部热点。数据显示，铜镀膜可使耳机充电仓内部温度分布标准差从±4.2°C降至±1.8°C。
NVIDIA H100 GPU采用全覆盖铜冷板，接触面积达38cm²，微通道结构水力直径0.5mm，流量3-5L/min时热阻仅0.08°C/W。AMD EPYC 9654处理器配套散热器使用铜底焊接技术，基底厚度8mm，热扩散效率比铝材高68%。液冷系统中，铜冷板的流道设计尤为关键：交错鳍片结构(间距1.5mm，高度5mm)可使Nu数提升至常规设计的1.8倍。
机架级液冷中的铜应用
浸没式液冷采用纯度>99.9%的铜管路，壁厚1.5-2mm以抵抗氟化液腐蚀。单机架40kW散热需求下，铜质冷排表面积需达6-8m²，配合0.3m/s风速可维持ΔT<15°C。Google TPU v4机柜使用铜-铝复合散热片，铜占比60%时实现最优性价比，热阻系数为0.0045m²·K/W。值得注意的是，铜在介电流体中的电化学腐蚀速率需控制在<5μm/年，这要求严格的表面钝化处理。
电源模块中的铜散热
80Plus钛金认证电源中，铜散热片重量占比达15-20%。GaN器件采用直接铜键合(DCB)基板，铜层厚度0.3mm，热阻低至0.24K·cm²/W。三相整流模块中，铜母排截面积与电流关系为：每100A需25mm²截面积，温升可控制在40K以内。服务器电源的铜散热器表面通常进行微弧氧化处理，形成10-20μm陶瓷层，既保持导热又提高耐压至3kV以上。
铜的密度(8.96g/cm³)是铝的3.3倍，在移动设备中成为明显劣势。新型铜合金如C7025(2.5%Ni-0.65%Si)在保持85%热导率的同时，强度提高至450MPa。多孔铜材料(孔隙率50-70%)可实现1.8-2.5g/cm³的密度，热导率仍达150-200W/(m·K)。成本方面，铜回收技术可将废料再利用率提升至95%，相比原生铜节能85%。
先进制造工艺
3D打印铜散热器已实现最小0.2mm的壁厚，复杂内部结构使表面积增加3-5倍。选择性激光熔化(SLM)成形的铜散热器，在50W/cm²热流密度下表现出比传统加工低20%的热阻。纳米铜烧结技术可在250°C低温下实现接头热阻<5mm²·K/W，特别适合chiplet封装。微喷射成形技术能制造100μm级别的铜微针阵列，沸腾换热系数高达100kW/(m²·K)。
异质材料集成
铜-金刚石复合材料(含50vol%金刚石)热导率达600W/(m·K)，但成本限制其商用。石墨烯增强铜基复合材料在1wt%添加量下热导率提升25%，且CTE可调至与芯片匹配。近期发展的铜-碳纳米管垂直阵列结构，轴向热导率突破800W/(m·K)，有望用于3D IC散热。值得注意的是，异质材料界面热阻仍是主要挑战，分子级接合技术可将界面热阻降至<10mm²·K/W。
