從散熱器的設計到熱管與水冷散熱簡析

1、從散熱器的設計到熱管與水冷散熱簡析天氣漸漸轉(zhuǎn)暖了，大家逐漸開始脫去冬裝換春裝了，身上的“負擔”減輕了不少。不過對于電腦的散熱系統(tǒng)來說，氣溫的提高卻是負擔加重的開始。再過一段時間，散熱的問題又會再次成為電腦玩家的熱衷話題。在大家開始議論這種散熱器的好壞之前，我想有必要把一些關于散熱的問題先給大家介紹一下，同時澄清一些廣泛流傳的誤解?；靖拍罱?jīng)?？吹接腥苏f自己的 CPU多少度多少度，然后問別人的CPU多少度，再進行比較。這樣做其實是不正確的，因為CPU （或者其他任何設備）的溫度都與環(huán)境溫度有直接關系。如果環(huán)境溫度不同，那對比CPU溫度的絕對值沒有任何意義。所以在研究換熱問題時，主要是以溫差奐熱兩

2、端的溫度差”作為衡量指標，溫度值通常僅作為一個標量參數(shù)而已。另外一個重要的概念是 熱阻”。熱阻是導熱介質(zhì)通過一定功率的熱流時，兩端產(chǎn)生的溫度差，因此它的單位是度/瓦”。如果你把溫差看作電壓差，熱流看作電流，那么熱阻就與電阻的概念非常相似。熱源熱阻熱地熱路圖is 度T溫差I溫度2環(huán)境溫度在研究傳熱問題時，我們也制作熱路圖。在熱路圖中可以看到熱阻的符號和電阻的符號是完全一樣的。另外和電 路中的地”類似的，也有 熱地”的概念，并且定義熱地的溫度是不會改變的。通常我們把環(huán)境溫度就作為熱地 的溫度。但是實際環(huán)境溫度同樣可能受到影響而發(fā)生變化，所以在確定具體哪個位置的溫度作為環(huán)境溫度時，必 須非常注意。關

3、于散熱器的設計基本概念了解之后，我們可以開始說有關散熱設計的問題。在設計CPU散熱器的時候，往往要根據(jù)廠家提供的各種設計規(guī)范和參考。其中影響散熱器設計的最直接因素有三個：一是熱功率和最高溫度；二是CPU的封裝形式和尺寸；三是主板及周邊器件的相關設計。第一個因素對于散熱器設計來說是硬性指標，如果再考慮CPU工作的環(huán)境溫度要求，就可以明白這實際上就是規(guī)定了散熱器的熱阻的最大值。所以，專業(yè)的散熱器設計是直接標注散熱器熱阻大小的。第二和第三個因素對散熱器設計形式有較大影響，它將限制散熱器設計的材質(zhì)、外形、尺寸和重量等。比如由于Intel 的CPU普遍采用了銅質(zhì)的IHS （ Integrated Hea

4、t Spreader集成散熱器）頂蓋，它的 CPU散熱器設計相對比較靈活。IHSPQ CPUIHS保護了 CPU內(nèi)核不受損傷，因此在設計散熱器扣具時不必太擔心散熱器傾斜和扣具壓力過大的問題。此外Intel 規(guī)范中主板上的支架用于支撐散熱器，可以放寬散熱器重量的限制，扣具的可選形式也更多。但是IHS的負面作用恰好使它名不副實， 因為IHS不僅沒有起到幫助散熱的作用， 反而增加了額外的熱阻。 這點已經(jīng)得到 相應的批評，各位只要明白 IHS僅僅是一個保護CPU核心的東西而已。AMD的AthlonXP 沒有IHS，熱量可以釋放的比較徹底。但是由于FCPGA封裝的核心裸露，不得不嚴格限制散熱器的重量，并

5、考慮扣具設計的合理性。重量過大的散熱器可能在振動和沖擊過程中磨損核心表面，甚至直接將CPU損壞。而扣具設計不合理會導致核心受力不均，可能在安裝散熱器的過程中將核心壓碎，或者在使用中對核 心某一側產(chǎn)生嚴重磨損?？劬哽崞撞緾PU檢心 典型合理的 AMD 扣具設計如上圖所示。 無論扣具處于什么角度， 扣具對散熱器的壓力始終垂直于核心表面， 從而 避免散熱器發(fā)生傾斜。由于封裝形式和扣具的限制， AthlonXP 在尺寸和質(zhì)量上應避免過大過重，并且要非常注意控制振動問題（振動 是 CPU 表面磨損的主要原因之一），因此主要通過改進散熱器結構來提高散熱效果。不過從 Athlon64 開始， AMD也在

6、CPU上加上了保護性的銅蓋?？梢姙榱诉m應更大尺寸的散熱器，廠家在散熱效率方面不得不作出一些讓步。當散熱器的各種設計指標確定之后，擺在工程師面前的情況不容樂觀。發(fā)熱與速度總是一同提高的，在如今的主流 CPU 工作頻率下（ 2.4GHz ），典型發(fā)熱功率都在 50W 左右，最大發(fā)熱功率在為 70W 左右， Prescott 則更 為激進一些， 接近 100W。 northwood 和 prescott 允許的最高核心溫度在 75 度附近， AthlonXP 再高一點為 85 度。假設環(huán)境溫度 25 度，則要求散熱器熱阻在 1 度 /W 左右，而且這還包括了 CPU 的封裝熱阻與各種接觸熱阻，實 際

7、對散熱器的要求更為苛刻。對于這樣的指標，采用傳統(tǒng)形式的鋁制散熱器已經(jīng)很勉強，因此工程師在散熱片和 風扇兩方面都做了相當大的改進。散熱片在散熱片方面，由于鋁材質(zhì)固有的導熱系數(shù)限制，從形狀上提高散熱效果已經(jīng)到了極致。所以目前主要是如何利 用導熱系數(shù)更高的銅來降低熱阻。 最好的方式當然是全銅散熱片。 一般可以采用切割鰭片或鑄造成形的加工方法。這兩種工藝效果雖好，但原材料和加工工藝的成本都非常高。另外兩種全銅散熱片的形式為焊接和插鰭工藝。焊接是將銅鰭片排列后焊在銅底上，焊料為錫合金；而插鰭工藝則是銅底上刨溝，然后嵌入較薄的銅鰭并壓緊。在這兩種間接的銅散熱器中，鰭片和底部的接合面是熱阻最大的地方，成為傳

8、熱的瓶頸。所以接合面的加工質(zhì)量 非常關鍵，具體的加工質(zhì)量取決于各個廠家的技術實力，因此實際產(chǎn)品的效果很可能參差不齊，選購的時候需要 十分注意。目前最為流行的還是銅鋁結合的散熱片，接合方式主要是底部嵌銅。與回流焊和插鰭工藝類似，嵌銅接合面的好 壞也決定了散熱片的最大熱阻。嵌銅的方法包括：扦焊、螺絲鎖合, 熱脹冷縮結合 , 機械壓合等。在扦焊工藝中，焊接面的連接質(zhì)量決定了其最大的熱阻大小，這與焊接的全銅散熱器類似。對于螺絲鎖合、熱脹 冷縮結合和機械壓合，接合面的平整度和接合應力大小是關鍵因素。平整度將決定良好接觸的面積， 良好接觸面積越大熱阻越?。?根據(jù)接觸換熱測量， 接觸熱阻是接觸應力的減函數(shù)，

9、 即應力越大，熱阻越小。其中熱脹冷縮和機械壓合的接合質(zhì)量比較好。一般來說不容易從外觀上了解加工工藝的好壞，除非工藝水平太低。唯一可做的是觀察銅鋁接合的邊緣，看其是 否平滑緊密。這個方法可以排除粗制濫造的產(chǎn)品。但是最終還是要通過實際測試來鑒別嵌銅質(zhì)量的優(yōu)劣。風扇 風扇方面，大家都知道提高風扇功率的好處，我就不多說了。在這里說一下送風形式的問題。最廣泛的形式就是用軸流風機（也就是最普遍的那種風扇）向下鼓風，之所以這么流行是因為綜合效果好且成本低廉。如果把軸流 風機的方向反過來，就變成向上抽風，在某些特別型號的散熱器中會采用這種形式。兩種送風形式的差別在于氣流形式的不同，鼓風時產(chǎn)生的是紊流，風壓大但

10、容易受到阻力損失；抽風時產(chǎn)生的是 層流，風壓小但氣流穩(wěn)定。理論上說，紊流的換熱效率比層流大得多，因此才成為主流設計形式。但是氣流的運 動與散熱片也有直接關系。在某些散熱片設計中（比如過于緊密的鰭片），氣流受散熱片阻礙非常大，此時采用抽風可能會有更好的效果。至于采用側面鼓風的設計，通常不會和頂部鼓風的效果有什么差別。而比較有效的改進方法是建立CPU專用的散熱風道，這樣便不會受到 CPU附近熱空氣的影響，相當于降低了環(huán)境溫度。軸流風機雖然應用廣泛，但是也存在固有的缺陷。：o軸流風機受電機位置的阻擋，氣流不能流暢通過鼓風區(qū)域的中部，這稱為死區(qū)”。而在典型的散熱片上，恰恰中部鰭片的溫度最高。由于存在這

11、種矛盾，采用軸流風機時，散熱片的散熱效果并不充分。目前只有元山科技的外磁風扇是唯一能夠較好解決死區(qū)問題的軸流風機產(chǎn)品，當然它的價格也就比較高了CPU散熱當中，通常被電腦用戶稱為“渦輪風扇這種風扇與軸流風機完全不同的離心風機，逐漸開始使用在 的優(yōu)越之處在于很好地解決了死區(qū)”問題。離心貝機氣流離心風機的鼓風方向上沒有障礙物，所以在各個位置都有同樣的氣流。同時它的風壓和風量的調(diào)節(jié)范圍也更大, 轉(zhuǎn)速控制的效果更好。負面的影響和大功率軸流風機一樣價格高、噪音大。最后我們來談談大多數(shù)玩家得不到、但是很關心的一些東西。熱管八、i=r熱管是目前炒作最多的散熱器件，它有極高的導熱系數(shù)，很貴的價格，以及非常大的知

12、名度。不過請明白一點, 熱管沒有任何散熱功能，它只是將熱量從一處搬運到另外一處，卻沒有辦法釋放熱量。因此，所有的熱管都必須與其他散熱設備搭配才能工作。在計算熱阻時，主要考慮的是熱管兩端設備的熱阻和額 外的接觸熱阻（熱管與其它散熱器件之間）。散熱設備的散熱能力必須滿足熱管的需要，否則輕者效率低下，重者燒毀熱管。實際的產(chǎn)品中，設計良好的熱管 散熱器主要都是在筆記本中。臺式機CPU散熱器采用熱管的比較少，效果好的就更少。水冷水冷其實應該稱為液冷，只是由于很多發(fā)燒友只知道往里面灌水，所以我們就叫它水冷好了。水冷有兩種，一種 是管道封閉的循環(huán)，另外一種是利用蓄水池的開放式循環(huán)。*-曲噥1=i對閉式倩肺開

13、放式儲壞不論哪一種都可以從根本上解決散熱效率問題，其物理成本可能還低于熱管散熱器。但是水冷帶來的問題也同樣 難以解決。首先是性能方面，封閉循環(huán)的水冷散熱器也有與熱管類似的問題：末端散熱器才是最大的熱阻環(huán)節(jié)，必須保證末 端散熱設備提供足夠的散熱能力，否則過熱只是時間問題。而這些體積龐大的末端散熱設備只能外置，成本和噪 音也不是一般用戶所能接受。對于開放循環(huán)的水冷，性能上沒有任何問題，只要你準備足夠的水，并且保持蓄水池的低溫。可靠性方面：對于開放式循環(huán)的水冷，由于新鮮的水中總帶有雜質(zhì)，管道內(nèi)的水垢問題會慢慢顯現(xiàn)（除非你只使用蒸餾水）；對于封閉式循環(huán)的水冷，灌注一次蒸餾水可以解決微生物和水垢的問題。不過如果環(huán)境溫度低于零度，仍然有可能結冰并造成其他問題。既便你不在乎上面這些麻煩，至少你還得注意不要出現(xiàn)漏水的情況。最后，水泵與風扇 一樣也是長時間