簡要介紹CPU散熱器原理（課堂PPT）

1、.1C P U 散散 熱熱 器器2010年10月.2CPU散熱器發(fā)展背景散熱器發(fā)展背景 早期的早期的CPU芯片功率不足芯片功率不足10W，不需要用散熱器。，不需要用散熱器。上世上世紀紀90年代中期以后，年代中期以后，隨著隨著CPU主頻和集成度大幅度提高，主頻和集成度大幅度提高，CPU的功率和發(fā)熱量明顯提高。的功率和發(fā)熱量明顯提高。到到2004年年Intel公司推出的公司推出的Pentium4主頻為主頻為3.6GHz的的CPU功率更是達到功率更是達到115W。如此。如此巨大的功率嚴重威脅到巨大的功率嚴重威脅到CPU的工作和發(fā)展，而的工作和發(fā)展，而CPU必須借必須借助散熱器才能工作，雖然助散熱器才

2、能工作，雖然Intel在在2006年下半年推出酷睿雙年下半年推出酷睿雙核將功耗降低近一半，每個核心的功耗只有核將功耗降低近一半，每個核心的功耗只有30W至至35W，與上一代因特爾臺式機處理器產(chǎn)品相比，因特爾酷睿與上一代因特爾臺式機處理器產(chǎn)品相比，因特爾酷睿2臺式臺式機處理器在提供機處理器在提供1.4倍的倍的CPU計算性能同時，能耗降低了計算性能同時，能耗降低了40%，但是對于現(xiàn)在一些四核的，但是對于現(xiàn)在一些四核的CPU來說，功率仍然很高。來說，功率仍然很高。為適應為適應CPU的不斷發(fā)展，的不斷發(fā)展，CPU散熱器也有了長足的發(fā)展。散熱器也有了長足的發(fā)展。.3CPU散熱器的分類散熱器的分類 散熱器

3、常被分為散熱器常被分為主動散熱主動散熱和和被動散熱被動散熱，前者常見的有風冷式，前者常見的有風冷式散熱器，后者常見的為散熱片。進一步細分散熱方式，可以散熱器，后者常見的為散熱片。進一步細分散熱方式，可以分為風冷，熱管，液冷，半導體制冷，壓縮機制冷等。分為風冷，熱管，液冷，半導體制冷，壓縮機制冷等。 風冷散熱是最常見的，而且非常簡單，具有風冷散熱是最常見的，而且非常簡單，具有價格相對較低，價格相對較低，安裝簡單等優(yōu)點，安裝簡單等優(yōu)點，但對環(huán)境依賴比較高，例如氣溫升高以及但對環(huán)境依賴比較高，例如氣溫升高以及超頻時其散熱性能就會大受影響。超頻時其散熱性能就會大受影響。 它的它的工作原理是工作原理是C

4、PU散熱片與散熱片與CPU表面直接接觸，表面直接接觸，CPU表表面的熱量通過熱傳導傳遞給面的熱量通過熱傳導傳遞給CPU散熱片；散熱風扇產(chǎn)生氣流散熱片；散熱風扇產(chǎn)生氣流通過熱對流將通過熱對流將CPU散熱片表面的熱量帶走；而機箱內(nèi)空氣的散熱片表面的熱量帶走；而機箱內(nèi)空氣的流動也是通過熱對流將流動也是通過熱對流將 CPU 散熱片周圍空氣的熱量帶走，散熱片周圍空氣的熱量帶走，直到機箱外；同時所有溫度高的部分會對周圍溫度低的部分直到機箱外；同時所有溫度高的部分會對周圍溫度低的部分發(fā)生熱輻射。發(fā)生熱輻射。換熱方式包括了換熱方式包括了導熱、對流、熱輻射。導熱、對流、熱輻射。.4散熱器的散熱方式散熱器的散熱方

5、式圖1 散熱器的剖面圖.5鰭片的材質(zhì)鰭片的材質(zhì) 散熱片材質(zhì)按導熱性能從高到低排列，散熱片材質(zhì)按導熱性能從高到低排列，分別是分別是銀、銅、鋁、鋼銀、銅、鋁、鋼。由于銀的價錢較。由于銀的價錢較高，所以常采用銅和鋁合金。銅的導熱性高，所以常采用銅和鋁合金。銅的導熱性好，但價錢貴，加工難度較高，重量過大，好，但價錢貴，加工難度較高，重量過大，熱容量較小，而且易氧化。純鋁太軟，不熱容量較小，而且易氧化。純鋁太軟，不能直接使用，能直接使用，鋁合金有足夠的硬度，價格鋁合金有足夠的硬度，價格低廉，重量輕，導熱性又遜于銅。低廉，重量輕，導熱性又遜于銅。有些散有些散熱器為了改善傳熱性能，熱器為了改善傳熱性能，在鋁

6、合金散熱器在鋁合金散熱器底座上嵌入銅板。底座上嵌入銅板。.6導熱介質(zhì)導熱介質(zhì) 導熱介質(zhì)主要有導熱介質(zhì)主要有導熱硅膠（也稱散熱膏）、石墨膠片、導熱硅膠（也稱散熱膏）、石墨膠片、鋁箔導熱墊片、外加保護膜的相變導熱墊片。鋁箔導熱墊片、外加保護膜的相變導熱墊片。導熱介質(zhì)主導熱介質(zhì)主要用來填補散熱片與要用來填補散熱片與CPU表面間的空隙，使表面間的空隙，使CPU與散熱與散熱片能夠緊密的結(jié)合，讓熱量容易傳到散熱片上。減少片能夠緊密的結(jié)合，讓熱量容易傳到散熱片上。減少接觸接觸熱阻熱阻。 最常用的是導熱硅膠。在散熱片與最常用的是導熱硅膠。在散熱片與CPU表面的接觸表面的接觸面上適量涂抹硅脂，填補空隙，使熱傳導

7、良好。不同公司面上適量涂抹硅脂，填補空隙，使熱傳導良好。不同公司的硅脂，成分也不同，其中以添加了金屬氧化物的產(chǎn)品的硅脂，成分也不同，其中以添加了金屬氧化物的產(chǎn)品（多數(shù)為深灰色）的效果好。（多數(shù)為深灰色）的效果好。.7 散熱器的散熱過程是三種方式共同作用的過程，但主要是散熱器的散熱過程是三種方式共同作用的過程，但主要是兩種方式，包括了散熱器和兩種方式，包括了散熱器和CPU部件間的導熱和散熱器表部件間的導熱和散熱器表面的對流換熱兩個環(huán)節(jié)。面的對流換熱兩個環(huán)節(jié)。 散熱器的表面積越大，其散熱效率就越高。但是在一定的散熱器的表面積越大，其散熱效率就越高。但是在一定的環(huán)境下，表面積的增大有可能降低散熱器的

8、結(jié)構(gòu)效率；散環(huán)境下，表面積的增大有可能降低散熱器的結(jié)構(gòu)效率；散熱器的鰭的結(jié)構(gòu)對不同環(huán)境中的散熱器散熱性能也有較大熱器的鰭的結(jié)構(gòu)對不同環(huán)境中的散熱器散熱性能也有較大影響。影響。 借助借助Icepak熱分析軟件分析各種因素對換熱性能的影響。熱分析軟件分析各種因素對換熱性能的影響。 .8 散熱器材質(zhì)默認為鋁，散熱器底面積為散熱器材質(zhì)默認為鋁，散熱器底面積為100100平方毫米，基底設置為平方毫米，基底設置為5mm，鰭片厚，鰭片厚度為度為2mm；CPU及散熱器下面的所有熱源，簡化及散熱器下面的所有熱源，簡化為一個面積大小為為一個面積大小為2020平方毫米，功率平方毫米，功率30W的的平面熱源，采取室溫

9、環(huán)境，空氣自然對流。平面熱源，采取室溫環(huán)境，空氣自然對流。因為因為僅為了考慮散熱器物理結(jié)構(gòu)對其散熱性能的影響。僅為了考慮散熱器物理結(jié)構(gòu)對其散熱性能的影響。所以，對模型設置進行了簡化，并直接將熱源放所以，對模型設置進行了簡化，并直接將熱源放置在散熱器底面的中央。對于仿真結(jié)果，直觀的置在散熱器底面的中央。對于仿真結(jié)果，直觀的觀察熱源的溫度變化，這也直接反應了散熱器物觀察熱源的溫度變化，這也直接反應了散熱器物理參數(shù)的變化對其散熱性能的影響。理參數(shù)的變化對其散熱性能的影響。.9底面尺寸變化的影響底面尺寸變化的影響 鰭高設置為鰭高設置為45mm，散熱器底面尺寸的長散熱器底面尺寸的長和寬分別從和寬分別從5

10、0mm變變化到化到120mm，間隔，間隔10mm，設置鰭片個，設置鰭片個數(shù)為數(shù)為10片，進行仿真片，進行仿真分析。圖分析。圖2散熱器底散熱器底面尺寸的變化對散熱面尺寸的變化對散熱性能的影性能的影響圖2 散熱器底面尺寸的變化對散熱性能的影響.10底面尺寸變化的影響底面尺寸變化的影響 不管是隨著底面長邊的變化還是短邊的變化，都表現(xiàn)不管是隨著底面長邊的變化還是短邊的變化，都表現(xiàn)為底面積的增大，隨著面積的增大，熱源溫度也不斷的下為底面積的增大，隨著面積的增大，熱源溫度也不斷的下降。說明隨底面積的增加，散熱器的散熱性能越來越好。降。說明隨底面積的增加，散熱器的散熱性能越來越好。但隨著不同底邊的變化，散熱

11、性能有一定差別。隨底面長但隨著不同底邊的變化，散熱性能有一定差別。隨底面長邊的增加，在增加底面面積的同時，鰭片的面積也在增加；邊的增加，在增加底面面積的同時，鰭片的面積也在增加；而隨著底面寬邊的增加，僅增加了底面面積。所以，在圖而隨著底面寬邊的增加，僅增加了底面面積。所以，在圖中看到剛開始時隨長邊變化曲線斜率較大，當?shù)酌婷娣e大中看到剛開始時隨長邊變化曲線斜率較大，當?shù)酌婷娣e大過一定值后，鰭面積增加帶來的影響相比底面積增加帶來過一定值后，鰭面積增加帶來的影響相比底面積增加帶來的影響可忽略，所以之后兩條線趨于一致，而且當?shù)酌娣e的影響可忽略，所以之后兩條線趨于一致，而且當?shù)酌娣e大過一定值后，在增大底

12、面積對散熱性能影響不大。大過一定值后，在增大底面積對散熱性能影響不大。.11鰭片高度變化的影響鰭片高度變化的影響 設置鰭高度從設置鰭高度從0mm變變化到化到60mm，間隔，間隔5mm，進行仿真分析，進行仿真分析。圖3 鰭高度的變化對散熱器散熱性能的影響.12鰭片高度變化的影響鰭片高度變化的影響 隨著鰭高的增加，散熱器溫度曲線斜隨著鰭高的增加，散熱器溫度曲線斜率越來越小，即溫度減小的速度越來越慢。率越來越小，即溫度減小的速度越來越慢?？梢灶A期，當鰭高高過一定高度時，鰭高可以預期，當鰭高高過一定高度時，鰭高的變化對散熱器的散熱性能的影響將會很的變化對散熱器的散熱性能的影響將會很微弱。微弱。.13鰭

13、片個數(shù)變化的影響鰭片個數(shù)變化的影響 設置鰭個數(shù)從設置鰭個數(shù)從5個變化到個變化到20個，個，進行仿真分析。進行仿真分析。圖4 片狀鰭個數(shù)的變化對散熱器性能的影響.14鰭片個數(shù)變化的影響鰭片個數(shù)變化的影響 散熱器片數(shù)存在一個最優(yōu)值，使散熱散熱器片數(shù)存在一個最優(yōu)值，使散熱器散熱性能最佳。因為雖然片狀鰭個數(shù)是器散熱性能最佳。因為雖然片狀鰭個數(shù)是增加增大了散熱面積，但同時片狀鰭間距增加增大了散熱面積，但同時片狀鰭間距減小，鰭間的空氣流動就會受到制約，所減小，鰭間的空氣流動就會受到制約，所以不是鰭數(shù)越多越好。從圖中可以看出片以不是鰭數(shù)越多越好。從圖中可以看出片數(shù)數(shù)10左右散熱性能最佳。左右散熱性能最佳。.

14、15鰭片厚度變化的影響鰭片厚度變化的影響圖5 片狀鰭鰭片厚度的變化對散熱器性能的影響 設置鰭厚度從設置鰭厚度從0mm變化到變化到5mm，間隔，間隔0.5mm，進行仿，進行仿真分析。真分析。.16鰭片厚度變化的影響鰭片厚度變化的影響 鰭片厚度對散熱器性能的影響同樣存鰭片厚度對散熱器性能的影響同樣存在一個最佳值。雖然鰭片厚度的增加，增在一個最佳值。雖然鰭片厚度的增加，增加了總散熱面積，但同時鰭片間距減小，加了總散熱面積，但同時鰭片間距減小，鰭間空氣流動受到制約，所以不是鰭越厚鰭間空氣流動受到制約，所以不是鰭越厚越好。越好。.17熱源位置變化的影響熱源位置變化的影響圖6 熱源位置的變化對散熱器散熱性

15、能的影響 設置偏離中設置偏離中心從心從0mm變化變化到到60mm，間，間隔隔10mm，進，進行仿真分析。行仿真分析。.18熱源位置變化的影響熱源位置變化的影響 散熱器安裝位置的改變對散熱性能也散熱器安裝位置的改變對散熱性能也有影響。在熱源偏離中心位置有影響。在熱源偏離中心位置40mm以內(nèi)以內(nèi)時，時，CPU溫度變化不大，但之后溫度有較溫度變化不大，但之后溫度有較大的上升趨勢。這說明，只有大的上升趨勢。這說明，只有CPU偏離中偏離中心位置較遠，且距離散熱器邊緣很近時對心位置較遠，且距離散熱器邊緣很近時對散熱器是散熱性能影響較大散熱器是散熱性能影響較大。.19 通過以上幾個因素的分析對比可以看出，散

16、熱器通過以上幾個因素的分析對比可以看出，散熱器鰭個數(shù)、底面面積及鰭高度的變化鰭個數(shù)、底面面積及鰭高度的變化對散熱器散熱對散熱器散熱性能的影響都很大。其中，散熱器性能的影響都很大。其中，散熱器鰭高度鰭高度變化對變化對散熱器散熱性能的影響最大（溫度總共下降了約散熱器散熱性能的影響最大（溫度總共下降了約80），），散熱器底面積散熱器底面積其次（溫度總下降了約其次（溫度總下降了約20），而），而鰭的個數(shù)、厚度的影響最小且有最優(yōu)鰭的個數(shù)、厚度的影響最小且有最優(yōu)值。值。另外，熱源的位置或者說散熱器的暗轉(zhuǎn)位置另外，熱源的位置或者說散熱器的暗轉(zhuǎn)位置變化對散熱器的散熱性能也有一定影響。變化對散熱器的散熱性能也有

17、一定影響。 通過以上分析，找出了影響散熱器散熱特性的主通過以上分析，找出了影響散熱器散熱特性的主要因素：對于片狀鰭散熱器影響較大的是鰭高度、要因素：對于片狀鰭散熱器影響較大的是鰭高度、鰭個數(shù)及散熱器底面面積。鰭個數(shù)及散熱器底面面積。.20熱管散熱器熱管散熱器 散熱管的優(yōu)點是散熱管的優(yōu)點是沒沒有移動式的零件，不有移動式的零件，不必消耗電池，同時可必消耗電池，同時可以長時間有效，以長時間有效，因此因此在筆記本上有較多應在筆記本上有較多應用。用。圖7 熱管散熱器.21熱管散熱器熱管散熱器 熱管一般是中空的圓柱管，熱管一般是中空的圓柱管，熱管兩端產(chǎn)生溫差的時熱管兩端產(chǎn)生溫差的時候，蒸發(fā)段的液體就會迅速

18、氣化，將熱量帶向冷凝端，候，蒸發(fā)段的液體就會迅速氣化，將熱量帶向冷凝端，速速度非?？臁啥藴夭钤酱?，蒸發(fā)速度越大。度非?？臁啥藴夭钤酱?，蒸發(fā)速度越大。液體在冷凝端液體在冷凝端凝結(jié)液化以后，通過毛細作用，流回蒸發(fā)端。如此循環(huán)往凝結(jié)液化以后，通過毛細作用，流回蒸發(fā)端。如此循環(huán)往復，不斷地將熱量帶向溫度低的一端復，不斷地將熱量帶向溫度低的一端。水與氣之間的相變。水與氣之間的相變反應，使熱管的熱傳導效率比普通的純銅高數(shù)十倍，甚至反應，使熱管的熱傳導效率比普通的純銅高數(shù)十倍，甚至百倍。應用這種方式可以用幾倍的速度將熱量從熱管的底百倍。應用這種方式可以用幾倍的速度將熱量從熱管的底部導到熱管的頂部。這種極

19、佳的導熱性能，可以使熱量不部導到熱管的頂部。這種極佳的導熱性能，可以使熱量不會在發(fā)熱部位堆積，而是均勻地散發(fā)到了散熱器的各個散會在發(fā)熱部位堆積，而是均勻地散發(fā)到了散熱器的各個散熱翅片上，極大的提高了散熱片的導熱性能。熱翅片上，極大的提高了散熱片的導熱性能。.22液體冷卻散熱器液體冷卻散熱器圖8 液體冷卻散熱器.23液體冷卻散熱器液體冷卻散熱器 液體冷卻原理是：液體冷卻原理是：通過附在通過附在CPU上的吸熱上的吸熱盒迅速將熱流傳導到冷盒迅速將熱流傳導到冷卻液，通過冷卻液在散卻液，通過冷卻液在散熱鰭片中的循環(huán)流動來熱鰭片中的循環(huán)流動來達到降溫效果，如此循達到降溫效果，如此循環(huán)不息。環(huán)不息。能較好能較好解決降解決降溫問題和降噪問題的散溫問題和降噪問題的散熱方式是液體冷卻，熱方式是液體冷卻，常常被稱為被稱為“水冷水冷”。冷卻。冷卻液不一定都是水。液不一定都是水。圖9 冷卻液在水冷系統(tǒng)中的循環(huán)示意圖.24參考文獻參考文獻