成為專家有捷徑-散熱原理與技術(shù)詳解析

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(qiáng)，功耗與散熱問題日益成為不容回避的問題。一般說來，PC內(nèi)的熱源大戶包括CPU、主板(南橋、北橋及VRM部分)、顯卡以及其他部件如硬件、光驅(qū)等，它們工作時消耗的電能會有相當(dāng)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范圍內(nèi)，除了保證PC工作環(huán)境的溫度在合理范圍內(nèi)之外，還必須要對其進(jìn)行散熱處理。尤其對CPU而言，如果用戶進(jìn)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(yán)格意義上來說并不能算是一種能量，而只是一種傳遞能量的方式。從微觀來看，區(qū)域內(nèi)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(rèn)為能量的傳遞就是熱。當(dāng)然熱最重要的過程或者形式就是熱的傳遞了。學(xué)過中學(xué)物理的朋友都知道，熱傳遞主要有三種方式：傳導(dǎo)：物質(zhì)本身或當(dāng)物質(zhì)與物質(zhì)接觸時，能量的傳遞就被稱為熱傳導(dǎo)，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(dǎo)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(kuò)散。熱傳導(dǎo)的基本公式為“Q=K×A×ΔT/ΔL”。其中Q代表為熱量，也就是熱傳導(dǎo)所產(chǎn)生或傳導(dǎo)的熱量；K為材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)，熱傳導(dǎo)系數(shù)類似比熱，但是又與比熱有一些差別，熱傳導(dǎo)系數(shù)與比熱成反比，熱傳導(dǎo)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(dǎo)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)、ΔT代表兩端的溫度差；ΔL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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)用到實(shí)際來看，熱對流又有兩種不同的情況，即：自然對流和強(qiáng)制對流。自然對流指的是流體運(yùn)動，成因是溫度差，溫度高的流體密度較低，因此質(zhì)量輕，相對就會向上運(yùn)動。相反地，溫度低的流體，密度高，因此向下運(yùn)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(qiáng)制對流則是流體受外在的強(qiáng)制驅(qū)動(如風(fēng)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(yùn)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=H×A×ΔT”。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；ΔT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(guān)系；熱對流系數(shù)越高、有效接觸面積越大、溫度差越高，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(shí)就是以波的形式達(dá)到熱交換的目的。既然熱輻射是通過波來進(jìn)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0～1之間，是屬于物體的表面特性，而剛體的熱傳導(dǎo)系數(shù)則是物體的材料特性。一般的熱輻射的熱傳導(dǎo)公式為“Q=E×S×F×Δ(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(shí)際中，當(dāng)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(jìn)行處理后(比如著色)其表面熱輻射系數(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(guān)系，但這里這個函數(shù)比較難以解釋。Δ(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及溫度差之間都存在正比關(guān)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(dǎo)的方式傳遞到散熱片，然后，到達(dá)散熱片的熱量，再通過其他方式如風(fēng)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(dǎo)體；第三是風(fēng)扇，是增加熱傳導(dǎo)和指向熱傳導(dǎo)的媒介；第四就是空氣，這是熱交換的最終流向。通過巨大的散熱面積與空氣進(jìn)行熱交換，最終將熱量散失到空氣中，這是兩個相互獨(dú)立的部分，當(dāng)然，如何恰當(dāng)?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(dá)到幾十、上百瓦，如果不能及時將熱量傳導(dǎo)出去，熱量一旦在Die中積聚，將會導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。對散熱器來說，最重要的是其底座能夠在短時間內(nèi)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(dǎo)系數(shù)的金屬才能勝任。對于金屬導(dǎo)熱材料而言，比熱和熱傳導(dǎo)系數(shù)是兩個重要的參數(shù)。熱傳導(dǎo)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(dǎo)熱性能越好。以下是幾種常見金屬的熱傳導(dǎo)系數(shù)表：

熱傳導(dǎo)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(dǎo)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(fù)雜，價格較貴，所以現(xiàn)在通常的風(fēng)扇多采用較輕的鋁制成，當(dāng)然，對風(fēng)冷散熱器來說，在考慮材質(zhì)的時候除了熱傳導(dǎo)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(dǎo)方面，對那些我們將在下一部分詳細(xì)討論。要提高散熱器底座的熱傳導(dǎo)能力，選用具有較高的熱傳導(dǎo)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(dǎo)的定律，在材質(zhì)固定的前提下，傳導(dǎo)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，即存在空氣，而空氣的導(dǎo)熱性能很差，這就需要設(shè)計優(yōu)異、抓緊力強(qiáng)大的扣具來將散熱片緊密地扣在CPU上，另外，需要用一些導(dǎo)熱性能更好而且能變形的東西代替空氣來填補(bǔ)這些空隙，如導(dǎo)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(diǎn)，無論哪種導(dǎo)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(shí)現(xiàn)散熱器底座的熱傳導(dǎo)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及硬度的工具，常見的如砂紙、銼等，對物體處理表面進(jìn)行單向、反復(fù)或旋轉(zhuǎn)的摩擦，借助工具粗糙表面摩擦?xí)r的剪削效果去除處理表面的凸出物；當(dāng)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(yīng)采用由粗到細(xì)循序漸進(jìn)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內(nèi)旋轉(zhuǎn)，因此切割出來的底面非常平整。與拉絲工藝相同，盤銑工藝使用的刀具越精細(xì)，切割出的底面的平整程度越高。盤銑工藝的制造成本較高，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(jī)床數(shù)控機(jī)床應(yīng)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(jī)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(yùn)動，即可對傳統(tǒng)盤銑中刀具空隙留下的未處理部分進(jìn)行切削，而達(dá)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。正如我們在前面所說，散熱器底面無論怎么處理，這種機(jī)械工藝不可能做出完全標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)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(dǎo)性能會大打折扣，甚至無法發(fā)揮作用。這便是導(dǎo)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(dǎo)熱硅脂的性能參數(shù)由于導(dǎo)熱硅脂屬于一種化學(xué)物質(zhì)，因此它也有反映自身工作特性的相關(guān)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(dǎo)熱硅脂產(chǎn)品的性能高低。工作溫度工作溫度是確保導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)熱硅脂的工作溫度一般在-50℃～180℃。對于導(dǎo)熱硅脂的工作溫度，一般不用擔(dān)心，畢竟通過常規(guī)手段很難將CPU的溫度超出這個范圍，除非您打算用液氮制冷——那個溫度下大部分導(dǎo)熱硅脂才會失去作用。熱傳導(dǎo)系數(shù)與常用的散熱器材質(zhì)相比，導(dǎo)熱硅脂的熱傳導(dǎo)系統(tǒng)要小很多，目前一般規(guī)范中，對導(dǎo)熱硅脂的熱傳導(dǎo)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，散熱器底面是否平滑是多么重要，某些廠商宣稱其底面不夠平整的散熱器只需靠導(dǎo)熱硅脂填充而不影響其散熱能力的說法多么無恥。熱阻系數(shù)熱阻系數(shù)表示物體對熱量傳導(dǎo)的阻礙效果。熱阻的概念與電阻非常類似，單位也與之相仿(℃/W)，即物體持續(xù)傳熱功率為1W時，導(dǎo)熱路徑兩端的溫差。熱阻顯然是越低越好，因為相同的環(huán)境溫度與導(dǎo)熱功率下，熱阻越低，發(fā)熱物體的溫度就越低。熱阻的大小與導(dǎo)熱硅脂所采用的材料有很大的關(guān)系。介電常數(shù)對于部分沒有金屬頂蓋保護(hù)的CPU而言，介電常數(shù)是個非常重要的參數(shù)，這關(guān)系到計算機(jī)內(nèi)部是否存在短路的問題。普通導(dǎo)熱硅脂所采用的都是絕緣性較好的材料，但是部分特殊硅脂(如含銀硅脂等)則可能有一定的導(dǎo)電性。當(dāng)然，目前的CPU都加裝了用于導(dǎo)熱和保護(hù)核心的金屬頂蓋，因此不必?fù)?dān)心導(dǎo)熱硅脂溢出而帶來的短路問題，但在涂抹時也必須注意不要將導(dǎo)熱硅脂誤涂到其他地方如主板上。主流散熱器所用導(dǎo)熱硅脂的介電常數(shù)都大于