成為專家有捷徑散熱原理與技術(shù)詳細講解析

1、10/10成為專家有捷徑 散熱原理與技術(shù)詳解析隨著PC計算能力的增強，功耗與散熱問題日益成為不容回避的問題。一般說來，PC的熱源大戶包括CPU、主板(南橋、北橋與VRM部分)、顯卡以與其他部件如硬件、光驅(qū)等，它們工作時消耗的電能會有相當一部分轉(zhuǎn)化為熱量。 我們都知道，電子器件的工作溫度直接決定其使用壽命和穩(wěn)定性。要讓PC各部件的工作溫度保持在合理的圍，除了保證PC工作環(huán)境的溫度在合理圍之外，還必須要對其進行散熱處理。尤其對CPU而言，如果用戶進行了超頻，要保證其穩(wěn)定地工作更必須有效地散熱。 熱傳遞的原理與基本方式雖然我們常將熱稱為熱能，但熱從嚴格意義上來說并不能算是一種能量，而只是一種傳遞能量

2、的方式。從微觀來看，區(qū)域分子受到外界能量沖擊后，由能量高的區(qū)域分子傳遞至能量低的區(qū)域分子，因此在物理界普遍認為能量的傳遞就是熱。當然熱最重要的過程或者形式就是熱的傳遞了。學過中學物理的朋友都知道，熱傳遞主要有三種方式：傳導：物質(zhì)本身或當物質(zhì)與物質(zhì)接觸時，能量的傳遞就被稱為熱傳導，這是最普遍的一種熱傳遞方式，由能量較低的粒子和能量較高的粒子直接接觸碰撞來傳遞能量。相對而言，熱傳導方式局限于固體和液體，因為氣體的分子構(gòu)成并不是很緊密，它們之間能量的傳遞被稱為熱擴散。 熱傳導的基本公式為“Q=KAT/L”。其中Q代表為熱量，也就是熱傳導所產(chǎn)生或傳導的熱量；K為材料的熱傳導系數(shù)，熱傳導系數(shù)類似比熱，但

3、是又與比熱有一些差別，熱傳導系數(shù)與比熱成反比，熱傳導系數(shù)越高，其比熱的數(shù)值也就越低。舉例說明，純銅的熱傳導系數(shù)為396.4，而其比熱則為0.39；公式中A代表傳熱的面積(或是兩物體的接觸面積)、T代表兩端的溫度差；L則是兩端的距離。因此，從公式我們就可以發(fā)現(xiàn)，熱量傳遞的大小同熱傳導系數(shù)、熱傳熱面積成正比，同距離成反比。熱傳遞系數(shù)越高、熱傳遞面積越大，傳輸?shù)木嚯x越短，那么熱傳導的能量就越高，也就越容易帶走熱量。對流：對流指的是流體(氣體或液體)與固體表面接觸，造成流體從固體表面將熱帶走的熱傳遞方式。 具體應用到實際來看，熱對流又有兩種不同的情況，即：自然對流和強制對流。自然對流指的是流體運動，成

4、因是溫度差，溫度高的流體密度較低，因此質(zhì)量輕，相對就會向上運動。相反地，溫度低的流體，密度高，因此向下運動，這種熱傳遞是因為流體受熱之后，或者說存在溫度差之后，產(chǎn)生了熱傳遞的動力；強制對流則是流體受外在的強制驅(qū)動(如風扇帶動的空氣流動),驅(qū)動力向什么地方，流體就向什么地方運動，因此這種熱對流更有效率和可指向性。 熱對流的公式為“Q=HAT”。公式中Q依舊代表熱量，也就是熱對流所帶走的熱量；H為熱對流系數(shù)值，A則代表熱對流的有效接觸面積；T代表固體表面與區(qū)域流體之間的溫度差。因此熱對流傳遞中，熱量傳遞的數(shù)量同熱對流系數(shù)、有效接觸面積和溫度差成正比關系；熱對流系數(shù)越高、有效接觸面積越大、溫度差越高

5、，所能帶走的熱量也就越多。輻射：熱輻射是一種可以在沒有任何介質(zhì)的情況下，不需要接觸，就能夠發(fā)生熱交換的傳遞方式，也就是說，熱輻射其實就是以波的形式達到熱交換的目的。 既然熱輻射是通過波來進行傳遞的，那么勢必就會有波長、有頻率。不通過介質(zhì)傳遞就需要的物體的熱吸收率來決定傳遞的效率了，這里就存在一個熱輻射系數(shù)，其值介于01之間，是屬于物體的表面特性，而剛體的熱傳導系數(shù)則是物體的材料特性。一般的熱輻射的熱傳導公式為“Q =ESF(Ta-Tb)”。公式中Q代表熱輻射所交換的能力，E是物體表面的熱輻射系數(shù)。在實際中，當物質(zhì)為金屬且表面光潔的情況下，熱輻射系數(shù)比較小，而把金屬表面進行處理后(比如著色)其表

6、面熱輻射系數(shù)值就會提升。塑料或非金屬類的熱輻射系數(shù)值大部分都比較高。S是物體的表面積，F(xiàn)則是輻射熱交換的角度和表面的函數(shù)關系，但這里這個函數(shù)比較難以解釋。(Ta-Tb)則是表面a的溫度同表面b之間的溫度差。因此熱輻射系數(shù)、物體表面積的大小以與溫度差之間都存在正比關系。任何散熱器也都會同時使用以上三種熱傳遞方式，只是側(cè)重有所不同。以CPU散熱為例，熱由CPU工作不斷地散發(fā)出來，通過與其核心緊密接觸的散熱片底座以傳導的方式傳遞到散熱片，然后，到達散熱片的熱量，再通過其他方式如風扇吹動將熱量送走。整個散熱過程包括4個環(huán)節(jié)：第一是CPU，是熱源產(chǎn)生者；第二是散熱片，是熱的傳導體；第三是風扇，是增加熱傳

7、導和指向熱傳導的媒介；第四就是空氣，這是熱交換的最終流向。一般說來，依照從散熱器帶走熱量的方式，可以將散熱器分為主動式散熱和被動式散熱。所謂的被動式散熱，是指通過散熱片將熱源如CPU產(chǎn)生的熱量自然散發(fā)到空氣中，其散熱的效果與散熱片大小成正比，但因為是自然散發(fā)熱量，效果當然大打折扣，常常用在那些對空間沒有要求的設備中，或者用于為發(fā)熱量不大的部件散熱，如部分普與型主板在北橋上也采取被動式散熱。對于個人使用的PC機來說，絕大多數(shù)采取主動式散熱方式，主動式散熱就是通過風扇等散熱設備強迫性地將散熱片發(fā)出的熱量帶走，其特點是散熱效率高，而且設備體積小。 散熱方式對主動式散熱，從散熱方式上細分，可以分為風冷

8、散熱、液冷散熱、熱管散熱、半導體制冷、化學制冷等等。風冷 風冷散熱是最常見的散熱方式，相比較而言，也是較廉價的方式。風冷散熱從實質(zhì)上講就是使用風扇帶走散熱器所吸收的熱量。具有價格相對較低，安裝方便等優(yōu)點。但對環(huán)境依賴比較高，例如氣溫升高以與超頻時其散熱性能就會大受影響。 液冷液冷散熱是通過液體在泵的帶動下強制循環(huán)帶走散熱器的熱量，與風冷相比，具有安靜、降溫穩(wěn)定、對環(huán)境依賴小等等優(yōu)點。液冷的價格相對較高，而且安裝也相對麻煩一些。同時安裝時盡量按照說明書指導的方法安裝才能獲得最佳的散熱效果。出于成本與易用性的考慮，液冷散熱通常采用水做為導熱液體，因此液冷散熱器也常常被稱為水冷散熱器。熱管熱管屬于一

9、種傳熱元件，它充分利用了熱傳導原理與致冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，通過在全封閉真空管的液體的蒸發(fā)與凝結(jié)來傳遞熱量，具有極高的導熱性、良好的等溫性、冷熱兩側(cè)的傳熱面積可任意改變、可遠距離傳熱、可控制溫度等一系列優(yōu)點，并且由熱管組成的換熱器具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、流體阻損小等優(yōu)點。其導熱能力已遠遠超過任何已知金屬的導熱能力。半導體制冷半導體制冷就是利用一種特制的半導體制冷片在通電時產(chǎn)生溫差來制冷，只要高溫端的熱量能有效的散發(fā)掉，則低溫端就不斷的被冷卻。在每個半導體顆粒上都產(chǎn)生溫差，一個制冷片由幾十個這樣的顆粒串聯(lián)而成，從而在制冷片的兩個表面形成一個溫差。利用這種溫差現(xiàn)象，配合風冷/水冷對高溫端進行降

10、溫，能得到優(yōu)秀的散熱效果。半導體制冷具有制冷溫度低、可靠性高等優(yōu)點，冷面溫度可以達到零下10以下，但是成本太高，而且可能會因溫度過低導致CPU結(jié)露造成短路，而且現(xiàn)在半導體制冷片的工藝也不成熟，不夠?qū)嵱?。化學制冷所謂化學制冷，就是使用一些超低溫化學物質(zhì)，利用它們在融化的時候吸收大量的熱量來降低溫度。這方面以使用干冰和液氮較為常見。比如使用干冰可以將溫度降低到零下20以下，還有一些更“變態(tài)”的玩家利用液氮將CPU溫度降到零下100以下(理論上)，當然由于價格昂貴和持續(xù)時間太短，這個方法多見于實驗室或極端的超頻愛好者。提高散熱片的熱傳導能力無論采取哪種散熱方式，都要首先解決如何高效地將熱量從熱源如C

11、PU快速轉(zhuǎn)移到散熱本體上的問題，如對風冷散熱而言，其需要將CPU產(chǎn)生的熱量以熱傳導轉(zhuǎn)移到散熱片，然后由風扇高速轉(zhuǎn)動將絕大部分熱量通過對流(包括強制對流和自然對流)的方式帶走；對液冷散熱同樣如此。在這個過程中，輻射方式直接散發(fā)的熱量是極少的，而起決定作用的則是第一步，提高熱傳導的效率，將熱量帶離熱源。要提高熱傳導的效率，根據(jù)“Q=KAT/L”的公式，熱傳導能力與散熱片的熱傳導系數(shù)、接觸面積和溫差成正比，與結(jié)合距離成反比。我們下面逐一對此進行探討。散熱器材質(zhì)注：在此部分我們所討論是與散熱器傳導能力有關的部分，即一般意義上的散熱器底座，而非整個散熱器。尤其在探討風冷散熱時這比較容易混淆，因為對風冷而

12、言其底座與鰭片大多為一體，但這二者所承擔的功能與技術(shù)實現(xiàn)是完全不同的：散熱片的底座是與CPU接觸，其功能在于吸收熱量并將其傳導到具有高熱容量導體即鰭片，而鰭片則是傳導過程的終點，通過巨大的散熱面積與空氣進行熱交換，最終將熱量散失到空氣中，這是兩個相互獨立的部分，當然，如何恰當?shù)貙⒍呓Y(jié)合起來便是廠商的功力所地了。CPU的Die通常不到2平方厘米，但功耗卻達到幾十、上百瓦，如果不能與時將熱量傳導出去，熱量一旦在Die中積聚，將會導致嚴重的后果。對散熱器來說，最重要的是其底座能夠在短時間能盡可能多的吸收CPU釋放的熱量，即瞬間吸熱能力，這只有具備高熱傳導系數(shù)的金屬才能勝任。對于金屬導熱材料而言，比

13、熱和熱傳導系數(shù)是兩個重要的參數(shù)。熱傳導系數(shù)的定義為：每單位長度、每K，可以傳送多少W的能量，單位為W/mK。其中“W”指熱功率單位，“m”代表長度單位米，而“K”為絕對溫度單位。該數(shù)值越大說明導熱性能越好。以下是幾種常見金屬的熱傳導系數(shù)表：熱傳導系數(shù) (單位: W/mK)銀429銅401金317鋁237鐵80鉛34.81070型鋁合金2261050型鋁合金2096063型鋁合金2016061型鋁合金155由此可以看出，銀和銅是最好的導熱材料，其次是金和鋁。但是金、銀太過昂貴，所以，目前散熱片主要由鋁和銅制成。但由于銅密度大，工藝復雜，價格較貴，所以現(xiàn)在通常的風扇多采用較輕的鋁制成，當然，對風冷

14、散熱器來說，在考慮材質(zhì)的時候除了熱傳導系數(shù)外，還必須考慮散熱器的熱容量，綜合這兩項參數(shù)，鋁的優(yōu)越性就體現(xiàn)出來。不過，本文只討論熱傳導方面，對那些我們將在下一部分詳細討論。要提高散熱器底座的熱傳導能力，選用具有較高的熱傳導系數(shù)的材質(zhì)是一方面，但另一方面也要解決好熱源如CPU與散熱器底座的結(jié)合的緊密程度問題。根據(jù)熱傳導的定律，在材質(zhì)固定的前提下，傳導能力與接觸面積成正比，與接觸距離成反比。接觸面積越大，就能使熱量越快地散發(fā)出去，但對CPU來說其Die是固定的，所以結(jié)合距離就更顯重要。 盡管從理論上講，散熱片底座是能和CPU緊密接觸的，但客觀說來，無論兩個接觸面有多么平滑，它們之間還是有空隙的，即存

15、在空氣，而空氣的導熱性能很差，這就需要設計優(yōu)異、抓緊力強大的扣具來將散熱片緊密地扣在CPU上，另外，需要用一些導熱性能更好而且能變形的東西代替空氣來填補這些空隙，如導熱硅脂或者散熱膠帶。理想的情況就是扣具將散熱片緊緊固定在CPU上，散熱片和CPU的接觸完全平行以保持接觸面積最大，它們之間一些微小的空隙完全由硅脂填充以保持接觸熱阻最小。但是，必須要明確一點，無論哪種導熱硅脂或散熱膠帶，其作用只能是輔助性的，與銅質(zhì)的散熱底座材質(zhì)相比，其熱阻大了很多倍。要實現(xiàn)散熱器底座的熱傳導能力最大化，還要首先必須保證散熱器底座的光滑與平整，這樣才能真正減小散熱器與CPU接觸面之間的空隙。散熱器底面處理工藝常用的

16、底面處理工藝包括：拉絲工藝(研磨)拉絲工藝也是使用最多的底面處理工藝。拉絲時使用某種表面具有一定粗糙程度與硬度的工具，常見的如砂紙、銼等，對物體處理表面進行單向、反復或旋轉(zhuǎn)的摩擦，借助工具粗糙表面摩擦時的剪削效果去除處理表面的凸出物；當然，磨平凸出物的同時也會在原本平整的表面上造成劃痕。故而應采用由粗到細循序漸進的過程，逐漸減小處理表面的粗糙程度。拉絲工藝的特征: 一條條平行的磨痕盤銑工藝(切削)盤銑工藝是指將散熱器底面固定之后通過高速旋轉(zhuǎn)的刀具切割散熱器表面，刀具始終在同一平面旋轉(zhuǎn)，因此切割出來的底面非常平整。與拉絲工藝一樣，盤銑工藝使用的刀具越精細，切割出的底面的平整程度越高。盤銑工藝的制

17、造成本較高，但相對拉絲只需要兩三道工序，比較省時，并且效果也比較理想。盤銑工藝特征: 弧形的磨痕數(shù)控機床數(shù)控機床應用于散熱片的底面平整處理主要采用的工藝仍然是銑。但與傳統(tǒng)盤銑不同，數(shù)控銑床的刀具可以通過單片機精確控制與散熱片間的相對距離。刀具接觸散熱片底面后，兩者水平方向相對運動，即可對傳統(tǒng)盤銑中刀具空隙留下的未處理部分進行切削，而達到完整的平面效果，不許任何后續(xù)處理即可獲得鏡面一般的效果，平整度可小于0.001mm。其他工藝除上述幾種外，還有其他對散熱器底處理的工藝，如拋光，不過，相對而言，拋光處理更多地是出于散熱器美觀方面的考慮，對散熱器底面平整度沒有太大的改善，且處理成本較高。正如我們在

18、前面所說，散熱器底面無論怎么處理，這種機械工藝不可能做出完全標準的平整面，在CPU與散熱器之間存在的溝壑或空隙總是不可避免的。存在于這些空隙中的空氣對散熱器的傳導能力有著很大的影響，人所共知，空氣的熱阻值很高，因此必須用其他物質(zhì)來降低熱阻，否則散熱器的傳導性能會大打折扣，甚至無法發(fā)揮作用。這便是導熱介質(zhì)的由來。它的作用就是填充熱源如CPU與散熱器之間大大小小的空隙，增大發(fā)熱源與散熱片的接觸面積。 導熱硅脂的性能參數(shù)由于導熱硅脂屬于一種化學物質(zhì)，因此它也有反映自身工作特性的相關性能參數(shù)。只要了解這些參數(shù)的含義，就可以判斷一款導熱硅脂產(chǎn)品的性能高低。工作溫度工作溫度是確保導熱硅脂處于固態(tài)或液態(tài)的一個重要參數(shù)，溫度過高，導熱硅脂會因黏稠度降低而變成液態(tài)；溫度過低，它又會因黏稠度增加變成固態(tài)，這兩種情況都不利于散熱。導熱硅脂的工作溫度一般在-50180。對于導熱硅脂的工作溫度，一般不用擔心，畢竟通過常規(guī)手段很難將CPU的溫度超出這個圍，除非您打算用液氮制冷那個溫度下大部分導熱硅脂才會失去作用。熱傳導系數(shù)與常用的散熱器材質(zhì)相比，導熱硅脂的熱傳導系統(tǒng)要小很多，目前一般規(guī)中，對導熱硅脂的熱傳導系數(shù)要求為1.13W/mK，與銅的401W/mk相比，差距不可同日而語，但與空氣相比，仍高了許多。由此也可見，散熱