《铜金属基复合材料改善固态硬盘的散热分析报告》

由于高效能、高集成度存储技术的发展，固态硬盘（SSD）在存储设备中的应用迅速增长，但在高速传输速度下，其散热需求也变得棘手且迫切。本研究采用铜金属基复合材料作为SSD的金属散热盖，比较其与采用纯铜金属制作的SSD在性能上的差异。结果显示，采用铜金属基复合材料作为SSD的金属散热盖，可帮助SSD减少约25秒的散热时间，相当于可多传输312GB的信息，而且铜金属基复合材料的散热机制，会因微量金属和无机物的添加而与纯铜有所不同。

M.2 PCIe固态硬盘（SSD）由NAND闪存封装、DRAM封装和控制器（CTRL）组成，如图一所示。

自2000年代固态硬盘（SSD）正式投入使用以来，得益于高性能、高集成度的垂直NAND技术的发展，其容量与传输速度持续迅速提升，相应地，SSD单位面积的发热量也在快速增加。作为散热解决方案中的铜金属片材质，预计很快也将达到瓶颈。对此，业界积极展开寻找可替代铜金属的研究，相关成果如雨后春笋般不断涌现。日本精密陶瓷株式会社（Japan Fine Ceramic Co.,）推出了一系列将金属基与陶瓷系强化材料相结合的产品，称为金属基复合材料（Metal Matrix Composite, MMC），其中包括铝、铜、镁等主要工业材料，这些材料既能保持产品原有形状和重量并提高刚性，或保持产品原有刚性并减轻重量，还能提升散热性能等，可满足客户的各种需求。

本研究主要比较采用铜金属基复合材料与纯铜制作固态硬盘（SSD）金属散热盖，并结合硅胶散热片，通过笔记本电脑系统的整合，根据SSD散热性能的数据，分析其差异与可能的散热机制。

本研究采用市面上纯铜材料（弘仁公司，型号C1100）及铜金属基复合材料（煌杰金属公司，型号ALCRO80A）制作SSD Gen 5（三星型号：PM9E1）金属散热盖，并将硅胶散热片贴附于金属散热盖上，搭载于联想T14系列机型（CPU为Arrow Lake），进行SSD性能测试（其金属盖片尺寸大小如图二所示）。

图二：金属散热盖尺寸及堆叠结构图

将上述准备设置好的实验机器，放置于改造后的恒温恒湿试验机中（如图三），启动后，将其置于试验槽内30分钟，待温度稳定后，再通过软件大量读取SSD数据，同时对实验中的SSD进行温度变化监控。实验软件包括Disk ThermalInfo软件（主要功能是记录和观测SSD内置温度传感器的温度变化）和IOMETER软件（主要功能是提供SSD文件读取操作，用于测试SSD性能数据）。另外，将测试后的SSD散热盖片放入密封袋中，置于干燥箱内7天，观察其表面外观是否有氧化或铜锈产生。

图三：修改过的恒温恒湿试验其内部结构图

图四展示了使用不同材质金属盖散热片时SSD散热性能的示意图。横轴代表时间（每格单位为1分钟）。虚线部分为联想现有采用的PCIe Gen5 SSD规格（传输速度必须维持在12,000MB/s，且持续时间需超过1分20秒）。实线表示运行中SSD的监测温度。另一条线表示SSD在保持最高传输速度时，性能与时间的关系。综合两种不同材质所表现出的性能特征，可以得到以下几个结果。

1. 两种不同材质的金属盖散热均能通过目前联想的测试规范。纯铜材质的散热盖片大约在1分51秒后会出现性能热衰退。而铜基金属复合材质的散热盖片，则会延长至2分14秒后。对比纯铜材

质，铜金属基复合材料性能将提升22%，换算成传输数据量，大约可多传输312GB。这对于因热性能衰退而无法访问数据而深感痛恨的用户来说，这将具有极大的吸引力。

2. 两者导致热性能衰退的机制并不相同。纯铜的热性能衰退是典型的一次性ON-OFF行为，达到阈值点后，性能会立即衰退一半。而铜基金属复合材料的热性能衰退则会呈现多次ON-OFF，然后逐渐降低热性能。这种不同的机制主要是由其内部添加的微量元素造成的（这些微量元素所起的作用类似于小连接器，在升温过程中，其热膨胀系数相较于纯铜会小很多，这与日本精密陶瓷株式会社（Japan Fine Ceramic Co.,）对其所研发产品的描述类似，在MMC材料中，得到了相同（类似）的结果。

表一：不同材质金属盖散热片，所呈现SSD散热性能

3.表一采用Disk Thermal Info软件与IO METER软件，记录并监控SSD在传输运行时的温度及性能表现。使用纯铜散热盖片的SSD的初始稳定温度、最高温度以及运行1分钟后的温度，均高于铜基金属复合材料的对应数据。对于相同的数据传输速度，采用纯铜作为散热盖片，均无法达到超越铜金属基复合材料。

4. 图五为经过测试后的SSD金属盖片在密封7天后的表面状况，可以发现以纯铜制作的样品，其表面产生了类似指纹的痕迹；相对地，铜金属基复合材料表面依然具有高光泽度，因此可以推断，微量金属或无机元素除了具有降低热膨胀系数的益处外，对于表面的氧化或生锈机制，还具有一定的保护作用。

图五：经过测试后之SSD金属盖片，经过7天密封后的表面状况（上）纯铜金属（下）铜金属金属基复合材料

通过添加微量金属或无机元素的铜金属基复合材料所制作的SSD金属盖片，不仅可以帮助SSD提高传输速度，还具备防止表面氧化或生锈，延长使用特性。

综合来看，铜金属基复合材料是现阶段SSD散热优化的最优材料体系之一，突破了传统金属散热材料的性能瓶颈，完美适配高速、高负载SSD的热管理需求，对提升SSD运行稳定性、延长设备服役寿命、释放高速读写性能具有重要实践意义。未来行业优化方向将聚焦于界面改性工艺优化、低成本增强体选型、轻量化复合结构设计，通过降低界面热阻、简化制备流程、控制生产成本，推动铜金属基复合材料在消费级、工业级、服务器级SSD中全面普及，适配电子存储设备高性能、小型化、长效化的发展趋势。

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