散熱技術(shù)面面觀四、散熱技術(shù)面面觀

1、散熱方式與產(chǎn)品分類

CPU散熱其實(shí)就是一個(gè)熱傳遞的過程，目的是將CPU產(chǎn)生的熱量帶到其它介質(zhì)上，將CPU溫度控制在一個(gè)穩(wěn)定范圍之內(nèi)。根據(jù)我們生活的環(huán)境，CPU的熱量最終是要發(fā)散到空氣當(dāng)中。而在這之間的熱傳遞過程，就是散熱器所要扮演的角色了。

目前所有的散熱器都以熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流為主要方式進(jìn)行散熱，還沒有聽說能以熱輻射為主要方式對(duì)芯片進(jìn)行降溫的產(chǎn)品。根據(jù)熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流手段的不同，可以將散熱器產(chǎn)品分為主動(dòng)與被動(dòng)兩種方式。主動(dòng)的含義是，有與發(fā)熱體無關(guān)的能源參與進(jìn)行強(qiáng)制散熱，比如風(fēng)扇、液冷中的水泵，相變制冷中的壓縮機(jī)，這些散熱手段的普遍特點(diǎn)是效率高，但同時(shí)也需要其它能源的輔助。與之相反，被動(dòng)的意思就好理解了，就是僅依靠發(fā)熱體或散熱片的自行發(fā)散來進(jìn)行降溫。

在本專題中，我們所介紹的產(chǎn)品全部為主動(dòng)式散熱器，目前的產(chǎn)品類型包括有：風(fēng)冷、液冷、干冰、液氮與壓縮機(jī)制冷。以下分別詳細(xì)介紹。

2、風(fēng)冷散熱技術(shù)

由于實(shí)現(xiàn)成本低廉，風(fēng)冷散熱是最常見的散熱技術(shù)。其制造相對(duì)簡單，就是使用風(fēng)扇帶走散熱器所吸收的熱量。具有價(jià)格相對(duì)較低，安裝簡單等優(yōu)點(diǎn)。一個(gè)高風(fēng)量的風(fēng)扇＋高導(dǎo)熱效率材料的散熱片就可以組成一個(gè)性能不錯(cuò)的CPU風(fēng)冷散熱器。散熱器工作模式示意圖

傳統(tǒng)風(fēng)冷散熱器的基本結(jié)構(gòu)，分為風(fēng)扇、扣具、散熱片（鰭片部分）、散熱片（底板部分）這四大部分。其中，散熱片的技術(shù)是最重要的，要涉及到材料、工藝、結(jié)構(gòu)等等方面，也是我們要重點(diǎn)討論的部分。風(fēng)扇的性能也不可忽視，包括了風(fēng)量、風(fēng)壓、噪音、使用壽命等要素。最后，我們還要分析扣具的類型。材料

在散熱片材料的選取上，主要考慮以下三方面的：

1.導(dǎo)熱性能好——導(dǎo)熱性是一個(gè)比較籠統(tǒng)的說法，包括了熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱等等概念。相對(duì)其它固體材料，金屬的導(dǎo)熱性決定了它更適合用于散熱器制造；比如銅的導(dǎo)熱快，鋁的散熱快等，這都是有金屬本身的特性決定的。

2.易于加工——延展性好，高溫相對(duì)穩(wěn)定，可采用各種加工工藝；

3.易獲取——雖然金屬也屬不可再生資源，但供貨量大，不需特殊工序，價(jià)格也相對(duì)低廉；

依據(jù)以上三點(diǎn)，就確定了散熱片所用材料類型。上文在介紹熱傳導(dǎo)系數(shù)與比熱值的時(shí)候，已經(jīng)說明了這些問題。但在材料選取的時(shí)候，除了要綜合考慮導(dǎo)熱參數(shù)的高低以外，還需要兼顧到材料的機(jī)械性能與價(jià)格。

熱傳導(dǎo)系數(shù)很高的金、銀，由于質(zhì)地柔軟、密度過大、及價(jià)格過于昂貴而無法廣泛采用；鐵則由于熱傳導(dǎo)率過低，無法滿足高熱密度場合的性能需要，不適合用于制作計(jì)算機(jī)空冷散熱片。銅的熱傳導(dǎo)系數(shù)同樣很高，可礙于硬度不足、密度較大、成本稍高、加工難度大等不利條件，在計(jì)算機(jī)相關(guān)散熱片中使用較少，但近兩年隨著對(duì)散熱設(shè)備性能要求的提高，越來越多的散熱器產(chǎn)品部分甚至全部采用了銅質(zhì)材料。鋁作為地殼中含量最高的金屬，因熱傳導(dǎo)系數(shù)較高、密度小、價(jià)格低而受到青睞；但由于純鋁硬度較小，在各種應(yīng)用領(lǐng)域中通常會(huì)摻加各種配方材料制成鋁合金，借此獲得許多純鋁所不具備的特性，而成為了散熱片加工材料的理想選擇。

各種鋁合金材料根據(jù)不同的需要，通過調(diào)整配方材料的成分與比例，可以獲得各種不同的特性，適合于不同的成形、加工方式，應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。熱傳導(dǎo)系數(shù)表中列出的5種不同鋁合金中：AA6061與AA6063具有不錯(cuò)的熱傳導(dǎo)能力與加工性，適合于擠壓成形工藝，在散熱片加工中被廣為采用。ADC12適合于壓鑄成形，但熱傳導(dǎo)系數(shù)較低，因此散熱片加工中通常采用AA1070鋁合金代替，可惜加工機(jī)械性能方面不及ADC12。AA1050則具有較好的延展性，適合于沖壓工藝，多用于制造細(xì)薄的鰭片。

散熱片的制造材料是影響效能的重要因素，選擇時(shí)必須加以注意！當(dāng)前絕大多數(shù)的低端CPU散熱器都是采用鋁合金，原因自然是材料及制造成本低廉，性能難免會(huì)受到一定的限制；中高端散熱器為了適應(yīng)目前發(fā)熱設(shè)備功率的不斷提升，增強(qiáng)散熱性能，則會(huì)在散熱片中不同程度的采用銅作為吸熱部件或散熱鰭片。當(dāng)然，采用具有較強(qiáng)導(dǎo)熱能力的材料只是制造高效能散熱片的基礎(chǔ)，散熱片的材質(zhì)并不能決定其整體性能，提高散熱片性能的真正精髓還是在于產(chǎn)品設(shè)計(jì)！下一節(jié)我們將簡要介紹散熱片設(shè)計(jì)中的一些重要因素。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

散熱片的設(shè)計(jì)是散熱片效能最重要的決定因素，也是集中體現(xiàn)各散熱器廠家技術(shù)實(shí)力差距的地方。從散熱的過程來看，一般分為吸熱、導(dǎo)熱、散熱三個(gè)步驟。熱量從CPU中產(chǎn)生，散熱器與CPU接觸端要及時(shí)吸取熱量，之后傳遞到散熱片上或其它介質(zhì)當(dāng)中，最后再將熱量發(fā)散至環(huán)境當(dāng)中。因此，散熱器設(shè)計(jì)就要從這三個(gè)步驟入手，分別將吸熱、導(dǎo)熱、散熱的性能提升，才能獲得較好的整體散熱效果。以下我們也以這三步來分析散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)與影響散熱性能的因素。

吸熱設(shè)計(jì)：

散熱片的吸熱效果主要取決于散熱片與發(fā)熱物體接觸部分的吸熱底設(shè)計(jì)。性能優(yōu)秀的散熱片，其吸熱底應(yīng)滿足四個(gè)要求：吸熱快、儲(chǔ)熱多、熱阻小、去熱快。

吸熱快，即吸熱底與發(fā)熱設(shè)備間熱阻小，可以迅速的吸收其產(chǎn)生的熱量。

為了達(dá)到這種效果，就要求吸熱底與發(fā)熱設(shè)備結(jié)合盡量緊密，令金屬材料與發(fā)熱設(shè)備直接接觸，最好能夠不留任何空隙。

儲(chǔ)熱多，即在去熱不良的狀態(tài)下，可以吸收較多的熱量而自身溫度升高較少。

提出此要求的目的是為了應(yīng)付發(fā)熱設(shè)備功率突然提升，或風(fēng)扇停轉(zhuǎn)等散熱器性能突然喪失的狀況。眾所周知，CPU、顯示核心等高速半導(dǎo)體芯片在滿負(fù)荷工作時(shí)所產(chǎn)生的熱量較閑置狀態(tài)下大幅增加；散熱器失效時(shí)，發(fā)熱設(shè)備所產(chǎn)生的熱量無法及時(shí)散失，情況更是危險(xiǎn)。此類狀況中，如果散熱片吸熱底沒有一定的儲(chǔ)熱能力作為熱量的緩沖，散熱片與發(fā)熱設(shè)備本身的溫度都會(huì)迅速升高，輕則由于溫度的迅速變化加快設(shè)備老化，重則未能及時(shí)發(fā)動(dòng)過溫保護(hù)機(jī)制導(dǎo)致設(shè)備燒毀。因此，散熱片的儲(chǔ)熱能力就是其抑制發(fā)熱設(shè)備溫度激增的能力，對(duì)散熱效果并沒有直接的影響。

熱阻小，即傳導(dǎo)相同功率熱量時(shí)，吸熱底與發(fā)熱設(shè)備及鰭片兩個(gè)介面間的溫差小。

散熱片的整體熱阻就是由與發(fā)熱設(shè)備的接觸面開始逐層累計(jì)而來，吸熱底內(nèi)部的熱傳導(dǎo)阻抗是其中不可忽視的一部分。由于計(jì)算機(jī)風(fēng)冷散熱器所針對(duì)的發(fā)熱設(shè)備通常體積較小，為了將吸收的熱量有效地傳導(dǎo)到盡量多的鰭片上，因此還需要吸熱底有較好的橫向熱傳導(dǎo)能力。

去熱快，即能夠?qū)陌l(fā)熱設(shè)備吸收的熱量迅速的傳導(dǎo)到鰭片部分，進(jìn)而散失。

吸熱底與鰭片部分間的結(jié)合情況，即結(jié)合面積與熱傳導(dǎo)的介面阻抗，對(duì)能否達(dá)成此要求起著決定性的作用。

既然已經(jīng)提出要求，在設(shè)計(jì)方面應(yīng)該采取哪些措施來滿足它們呢？

1.提高與CPU接觸面的平整度。為了提升吸熱能力，希望散熱片與發(fā)熱設(shè)備緊密結(jié)合，不留任何空隙，可惜這是無法實(shí)現(xiàn)的。因此，應(yīng)采用具有較低熱阻及較佳適應(yīng)性的材料填充其中的空隙，這便是導(dǎo)熱膏的用武之地。但導(dǎo)熱膏的熱阻始終要高于加工散熱片的金屬材料，要想根本上提高散熱片吸熱底的吸熱能力，就必須提高其底面平整度。平整度是通過表面最大落差高度來衡量的，通常散熱片的底部稍經(jīng)處理即可達(dá)到0.1mm以下，采用銑床或多道拉絲處理可以達(dá)到0.03mm，而CNC銑床或研磨則可以達(dá)到更好的效果，我們將在后文進(jìn)行具體介紹。總之，散熱片的吸熱底越平整，越有利于熱量吸收，但由于無法做到完美，涂抹導(dǎo)熱膏成為了安裝散熱器的必須步驟。

2.材料的比熱容要高。前文中已經(jīng)介紹了比熱容的概念，從中可以得知：令1千克的銅溫度升高1攝氏度需要吸收93卡的熱量，而令千克鋁溫度升高1攝氏度則需要吸收217卡的熱量。那么是否采用鋁質(zhì)吸熱底的散熱片可以獲得更好的儲(chǔ)熱效果呢？并非如此！因?yàn)榫唧w物體的儲(chǔ)熱能力還決定于其質(zhì)量，具體到散熱片的吸熱底，相同體積下，就決定于材質(zhì)密度——銅的密度為8933kg/m^3，鋁的密度為2702kg/m^3。不妨依下述公式計(jì)算一下銅與鋁的體積比熱容：

Cv＝ρxCm

銅的體積比熱容＝8933kg/m^3x93kl/kg*°C≈0.83x10^6kl/m^3*K

鋁的體積比熱容＝2702kg/m^3x217kl/kg*°C≈0.58x10^6kl/m^3*K

結(jié)果很清楚了，相同體積的銅與鋁材（包括各種鋁合金），發(fā)生相同的溫度變化時(shí)，銅可以比鋁多吸收約40％的熱量，即可以更好的抑制發(fā)熱設(shè)備溫度的激增。這正是中高端散熱器即便不采用全銅設(shè)計(jì)，也要采用銅鋁結(jié)合的吸熱底設(shè)計(jì)的原因。

除了材質(zhì)上選擇具有更高“體積比熱容”的材料外，還可以在吸熱底的形狀設(shè)計(jì)上進(jìn)行發(fā)揮——保持吸熱底厚度不變，增大底面積，或者保持底面積不變，增加吸熱底的厚度，都可以增大吸熱底體積，進(jìn)而提高熱容量。

3.材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)要高。要降低吸熱底內(nèi)部熱阻，采用熱傳導(dǎo)系數(shù)更高的銅的確是比鋁合金更好的選擇，也正是目前許多中高端散熱器所采用的方法。確定了吸熱底的材質(zhì)，還可以通過調(diào)整吸熱底的形狀設(shè)計(jì)改變其熱阻。此時(shí)，就面臨著吸熱底縱向與橫向熱阻的平衡問題。

根據(jù)熱傳導(dǎo)的基本常識(shí)——截面積越大，熱阻越小，厚度越大，熱阻越大。具體到吸熱底的形狀設(shè)計(jì)——面積越大，厚度越薄，縱向熱阻越??；相反，厚度越厚，橫向熱阻越小，鰭片的有效連接面積越大?？v向與橫向熱阻分別對(duì)吸熱底的形狀提出了互相矛盾的要求，這就需要設(shè)計(jì)者在其中作出權(quán)衡，選擇合適的面積、厚度與形狀，令縱向與橫向熱阻都可達(dá)到要求，如果沒能尋找到合適的平衡點(diǎn)，則可能出現(xiàn)一些對(duì)導(dǎo)熱甚至散熱片整體性能造成嚴(yán)重不利影響的情況：

厚度大，面積小——橫向熱阻小，可有效利用連接其上的鰭片，但縱向熱阻大，增加了散熱片的整體熱阻，不利于整體性能提高。

厚度小，面積大——縱向熱阻小，但橫向?qū)峤孛妫ㄅc底面垂直）狹小，橫向熱阻大，外圍大量與底面連接的鰭片無法發(fā)揮作用，形同虛設(shè)，實(shí)際縱向?qū)崦娣e并不大。

上文只是針對(duì)傳統(tǒng)的平板型吸熱底+直立鰭片設(shè)計(jì)，目前可以說已經(jīng)被設(shè)計(jì)人員完全“吃透”了，通常產(chǎn)品設(shè)計(jì)都采用了適當(dāng)?shù)拿?高比。但隨著性能需求的提高，設(shè)計(jì)人員開始跳出這種設(shè)計(jì)的限制，采用一些更符合熱力學(xué)原理的吸熱底形狀設(shè)計(jì)，減小熱阻，并針對(duì)集中發(fā)熱位置（例如CPU核心），采用大熱容量的特別設(shè)計(jì)。例如一些銅鋁結(jié)合散熱片的銅柱+放射狀鰭片，以及一些在原有平板型基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的弧形或“屋檐”形吸熱底等。

4.增加散熱面積。為了滿足去熱快的要求，就需要吸熱底與鰭片間的連接面積盡量大，熱傳導(dǎo)介面阻抗盡量小，同樣要令吸熱底與鰭片盡量緊密的結(jié)合，需要較好的介面平整度。吸熱底與鰭片的結(jié)合方式與連接面積將在下文的導(dǎo)熱設(shè)計(jì)中介紹；結(jié)合程度則基本上取決于散熱片整體成形或吸熱底與鰭片間的結(jié)合工藝，將在稍后的工藝部分中詳細(xì)介紹。

從吸熱底的設(shè)計(jì)中，就可以看到整個(gè)散熱片設(shè)計(jì)的訴求——快進(jìn)、快出、低阻抗，以及所面臨的問題——多種因素間矛盾的平衡。

單就吸熱底設(shè)計(jì)而言，吸熱與去熱的要求是越快越好，局部并不存在與之矛盾的因素,只需盡力在材料與工藝方面進(jìn)行改進(jìn)即可；為了減小熱阻，增大與鰭片間的有效連接面積，必須要面對(duì)厚度與面積間的矛盾；儲(chǔ)熱能力的要求看似只要增大體積，實(shí)際對(duì)導(dǎo)熱能力同樣存在影響，難免產(chǎn)生矛盾。不但形狀設(shè)計(jì)，吸熱底材料的選擇同樣需要顧慮到重量、尺寸等條件的限制。

導(dǎo)熱設(shè)計(jì)：

散熱片的根本作用就是熱量的傳導(dǎo)途徑，自然在每一個(gè)部分都會(huì)強(qiáng)調(diào)其導(dǎo)熱能力。散熱片的導(dǎo)熱途徑中，重要的環(huán)節(jié)有：發(fā)熱設(shè)備-吸熱底、吸熱底內(nèi)部、吸熱底-鰭片、鰭片內(nèi)部。其中，前兩者已在上文中說明。

鰭片是散熱片與周圍環(huán)境（空氣）進(jìn)行熱交換的主要場所，因此，要迅速的散失掉吸熱底吸收來的熱量，就應(yīng)將其傳導(dǎo)到鰭片的每個(gè)部分。該傳導(dǎo)過程最重要的環(huán)節(jié)就是吸熱底到鰭片的熱量傳導(dǎo)。

上文已經(jīng)提到，吸熱底與鰭片間的導(dǎo)熱能力，在設(shè)計(jì)上取決于結(jié)合方式與連接面積。兩者間的結(jié)合方式主要分為“先天”與“后天”兩種：“先天”方式即散熱片為一體成形，吸熱底與鰭片本就是一片金屬，并不需經(jīng)過后續(xù)處理，沒有介面阻抗，且設(shè)計(jì)簡單，兩者間的熱傳導(dǎo)瓶頸僅有連接面積一項(xiàng)，主要受鰭片設(shè)計(jì)與工藝影響?！昂筇臁狈绞郊次鼰岬着c鰭片分別成形后，采用一定工藝結(jié)合，結(jié)合面積可選范圍大，可配合的鰭片設(shè)計(jì)形式多樣，還可結(jié)合不同材質(zhì)，或采取“特殊手段”，但后續(xù)采用的結(jié)合工藝對(duì)介面阻抗起著決定作用。盡管可大致劃分為兩種結(jié)合方式，但具體工藝多種多樣，且各具特色，難以總結(jié)出一概的異同之處，我們將在后文中結(jié)合具體工藝進(jìn)行說明。

拋開工藝的問題，吸熱底與鰭片間的連接面積究竟應(yīng)該多大呢？不同的散熱片尺寸，顯然無法提出準(zhǔn)確的數(shù)值，只能通過連接面積占吸熱底面積的比例來衡量。那么是否連接比例越大越好呢？未必！對(duì)于一體成形的散熱片，當(dāng)連接比例達(dá)到100％時(shí)，不過是又增加了吸熱底的厚度而已，仍然不能算作鰭片；而實(shí)際的連接比例，又要考慮到鰭片數(shù)量、面積、導(dǎo)風(fēng)槽寬度等因素，不能一味的以大為好，必須在幾種因素間尋得平衡。對(duì)于后續(xù)結(jié)合的散熱片，根據(jù)不同結(jié)合工藝會(huì)采用不同的連接比例，甚至的確有采用100％連接比例的設(shè)計(jì)，我們將在后文的工藝部分結(jié)合不同情況具體分析。

散熱鰭片中的熱量傳導(dǎo)同樣不容忽視，為了有效利用鰭片的散熱面積，前提條件是將熱量擴(kuò)散到鰭片的每個(gè)部分。在不采用“特殊手段”的情況下，熱量只有通過鰭片內(nèi)部的通路，由與吸熱底結(jié)合的部分傳導(dǎo)到與空氣接觸的各個(gè)末端。這就要求鰭片內(nèi)部具有一定的熱傳導(dǎo)能力，即所用材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)較高，且具有一定的厚度。但鰭片厚度、鰭片表面積、空氣流動(dòng)空間三者又難以同步提高，同樣存在需要平衡的矛盾，我們將在后文的散熱設(shè)計(jì)部分詳細(xì)說明。

多次提到的“特殊手段”究竟又指什么呢？是一項(xiàng)近期被廣為采用的，剛剛由遙不可及轉(zhuǎn)為平民用品的熱門技術(shù)——熱管！關(guān)于熱管的原理后文中將有專門論述，筆者就不在這里贅述了。

散熱設(shè)計(jì)：

所謂散熱片，將熱量散失掉是其最根本的目的，因此之前的吸熱、導(dǎo)熱設(shè)計(jì)都是為散熱的目的而服務(wù)的。

不論是被動(dòng)散熱的空冷散熱片，還是需要風(fēng)扇強(qiáng)制導(dǎo)流輔助的風(fēng)冷散熱片，鰭片的職責(zé)都是通過與周圍環(huán)境（空氣）的接觸將由吸熱底傳導(dǎo)來的熱量散失出去。為了履行此職責(zé)，要求鰭片滿足四項(xiàng)要求，每項(xiàng)要求又對(duì)應(yīng)著鰭片的一項(xiàng)參數(shù)：

1.可迅速吸收熱量，即吸熱底與鰭片間的熱傳導(dǎo)，對(duì)應(yīng)與吸熱底的連接面積（連接比例）。

2.可大范圍擴(kuò)散熱量，即能夠?qū)⑽盏臒崃總鲗?dǎo)到可與環(huán)境進(jìn)行熱交換的每個(gè)角落，對(duì)應(yīng)鰭片內(nèi)部的熱傳導(dǎo)能力（橫截面積、形狀）。

3.散熱面積大，即提供更多與環(huán)境進(jìn)行熱交換的場所，對(duì)應(yīng)鰭片的表面積（數(shù)量）。

4.空氣容積大，風(fēng)阻小，即鰭片間為空氣留有足夠的空間，可通過足夠的空氣，對(duì)應(yīng)鰭片的間距。

要想鰭片獲得優(yōu)秀的效能，此四項(xiàng)要求必須同時(shí)滿足，但對(duì)應(yīng)的參數(shù)又同時(shí)受到散熱片總體積、重量以及彼此的制約。在一體成形鰭片中，連接比例、內(nèi)部導(dǎo)熱能力與表面積得益于鰭片的橫截面積與數(shù)量的增加，但難免影響到鰭片間距與重量；若限定體積，鰭片的橫截面積和數(shù)量又與間距相矛盾；若限定重量，鰭片的橫截面積與數(shù)量互相抵觸；若鰭片形狀、數(shù)量不變，增加間距則對(duì)體積提出了要求，又會(huì)降低連接比例……

就算采用后續(xù)結(jié)合方式，甚至輔以熱管等特殊手段，鰭片的設(shè)計(jì)中仍然難免需要處理兩個(gè)甚至幾個(gè)互相矛盾的因素之間的平衡問題。正是這種令人混亂的復(fù)雜制約關(guān)系，為設(shè)計(jì)者們提供了發(fā)揮的空間，才有今天這多種多樣的鰭片設(shè)計(jì)。下面，就為大家介紹一下幾種常見的鰭片形式。

【導(dǎo)航目錄】

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1、散熱方式與產(chǎn)品分類

CPU散熱其實(shí)就是一個(gè)熱傳遞的過程，目的是將CPU產(chǎn)生的熱量帶到其它介質(zhì)上，將CPU溫度控制在一個(gè)穩(wěn)定范圍之內(nèi)。根據(jù)我們生活的環(huán)境，CPU的熱量最終是要發(fā)散到空氣當(dāng)中。而在這之間的熱傳遞過程，就是散熱器所要扮演的角色了。

目前所有的散熱器都以熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流為主要方式進(jìn)行散熱，還沒有聽說能以熱輻射為主要方式對(duì)芯片進(jìn)行降溫的產(chǎn)品。根據(jù)熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流手段的不同，可以將散熱器產(chǎn)品分為主動(dòng)與被動(dòng)兩種方式。主動(dòng)的含義是，有與發(fā)熱體無關(guān)的能源參與進(jìn)行強(qiáng)制散熱，比如風(fēng)扇、液冷中的水泵，相變制冷中的壓縮機(jī)，這些散熱手段的普遍特點(diǎn)是效率高，但同時(shí)也需要其它能源的輔助。與之相反，被動(dòng)的意思就好理解了，就是僅依靠發(fā)熱體或散熱片的自行發(fā)散來進(jìn)行降溫。

在本專題中，我們所介紹的產(chǎn)品全部為主動(dòng)式散熱器，目前的產(chǎn)品類型包括有：風(fēng)冷、液冷、干冰、液氮與壓縮機(jī)制冷。以下分別詳細(xì)介紹。

2、風(fēng)冷散熱技術(shù)

由于實(shí)現(xiàn)成本低廉，風(fēng)冷散熱是最常見的散熱技術(shù)。其制造相對(duì)簡單，就是使用風(fēng)扇帶走散熱器所吸收的熱量。具有價(jià)格相對(duì)較低，安裝簡單等優(yōu)點(diǎn)。一個(gè)高風(fēng)量的風(fēng)扇＋高導(dǎo)熱效率材料的散熱片就可以組成一個(gè)性能不錯(cuò)的CPU風(fēng)冷散熱器。散熱器工作模式示意圖

傳統(tǒng)風(fēng)冷散熱器的基本結(jié)構(gòu)，分為風(fēng)扇、扣具、散熱片（鰭片部分）、散熱片（底板部分）這四大部分。其中，散熱片的技術(shù)是最重要的，要涉及到材料、工藝、結(jié)構(gòu)等等方面，也是我們要重點(diǎn)討論的部分。風(fēng)扇的性能也不可忽視，包括了風(fēng)量、風(fēng)壓、噪音、使用壽命等要素。最后，我們還要分析扣具的類型。材料

在散熱片材料的選取上，主要考慮以下三方面的：

1.導(dǎo)熱性能好——導(dǎo)熱性是一個(gè)比較籠統(tǒng)的說法，包括了熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱等等概念。相對(duì)其它固體材料，金屬的導(dǎo)熱性決定了它更適合用于散熱器制造；比如銅的導(dǎo)熱快，鋁的散熱快等，這都是有金屬本身的特性決定的。

2.易于加工——延展性好，高溫相對(duì)穩(wěn)定，可采用各種加工工藝；

3.易獲取——雖然金屬也屬不可再生資源，但供貨量大，不需特殊工序，價(jià)格也相對(duì)低廉；

依據(jù)以上三點(diǎn)，就確定了散熱片所用材料類型。上文在介紹熱傳導(dǎo)系數(shù)與比熱值的時(shí)候，已經(jīng)說明了這些問題。但在材料選取的時(shí)候，除了要綜合考慮導(dǎo)熱參數(shù)的高低以外，還需要兼顧到材料的機(jī)械性能與價(jià)格。

熱傳導(dǎo)系數(shù)很高的金、銀，由于質(zhì)地柔軟、密度過大、及價(jià)格過于昂貴而無法廣泛采用；鐵則由于熱傳導(dǎo)率過低，無法滿足高熱密度場合的性能需要，不適合用于制作計(jì)算機(jī)空冷散熱片。銅的熱傳導(dǎo)系數(shù)同樣很高，可礙于硬度不足、密度較大、成本稍高、加工難度大等不利條件，在計(jì)算機(jī)相關(guān)散熱片中使用較少，但近兩年隨著對(duì)散熱設(shè)備性能要求的提高，越來越多的散熱器產(chǎn)品部分甚至全部采用了銅質(zhì)材料。鋁作為地殼中含量最高的金屬，因熱傳導(dǎo)系數(shù)較高、密度小、價(jià)格低而受到青睞；但由于純鋁硬度較小，在各種應(yīng)用領(lǐng)域中通常會(huì)摻加各種配方材料制成鋁合金，借此獲得許多純鋁所不具備的特性，而成為了散熱片加工材料的理想選擇。

各種鋁合金材料根據(jù)不同的需要，通過調(diào)整配方材料的成分與比例，可以獲得各種不同的特性，適合于不同的成形、加工方式，應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。熱傳導(dǎo)系數(shù)表中列出的5種不同鋁合金中：AA6061與AA6063具有不錯(cuò)的熱傳導(dǎo)能力與加工性，適合于擠壓成形工藝，在散熱片加工中被廣為采用。ADC12適合于壓鑄成形，但熱傳導(dǎo)系數(shù)較低，因此散熱片加工中通常采用AA1070鋁合金代替，可惜加工機(jī)械性能方面不及ADC12。AA1050則具有較好的延展性，適合于沖壓工藝，多用于制造細(xì)薄的鰭片。

散熱片的制造材料是影響效能的重要因素，選擇時(shí)必須加以注意！當(dāng)前絕大多數(shù)的低端CPU散熱器都是采用鋁合金，原因自然是材料及制造成本低廉，性能難免會(huì)受到一定的限制；中高端散熱器為了適應(yīng)目前發(fā)熱設(shè)備功率的不斷提升，增強(qiáng)散熱性能，則會(huì)在散熱片中不同程度的采用銅作為吸熱部件或散熱鰭片。當(dāng)然，采用具有較強(qiáng)導(dǎo)熱能力的材料只是制造高效能散熱片的基礎(chǔ)，散熱片的材質(zhì)并不能決定其整體性能，提高散熱片性能的真正精髓還是在于產(chǎn)品設(shè)計(jì)！下一節(jié)我們將簡要介紹散熱片設(shè)計(jì)中的一些重要因素。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

散熱片的設(shè)計(jì)是散熱片效能最重要的決定因素，也是集中體現(xiàn)各散熱器廠家技術(shù)實(shí)力差距的地方。從散熱的過程來看，一般分為吸熱、導(dǎo)熱、散熱三個(gè)步驟。熱量從CPU中產(chǎn)生，散熱器與CPU接觸端要及時(shí)吸取熱量，之后傳遞到散熱片上或其它介質(zhì)當(dāng)中，最后再將熱量發(fā)散至環(huán)境當(dāng)中。因此，散熱器設(shè)計(jì)就要從這三個(gè)步驟入手，分別將吸熱、導(dǎo)熱、散熱的性能提升，才能獲得較好的整體散熱效果。以下我們也以這三步來分析散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)與影響散熱性能的因素。

吸熱設(shè)計(jì)：

散熱片的吸熱效果主要取決于散熱片與發(fā)熱物體接觸部分的吸熱底設(shè)計(jì)。性能優(yōu)秀的散熱片，其吸熱底應(yīng)滿足四個(gè)要求：吸熱快、儲(chǔ)熱多、熱阻小、去熱快。

吸熱快，即吸熱底與發(fā)熱設(shè)備間熱阻小，可以迅速的吸收其產(chǎn)生的熱量。

為了達(dá)到這種效果，就要求吸熱底與發(fā)熱設(shè)備結(jié)合盡量緊密，令金屬材料與發(fā)熱設(shè)備直接接觸，最好能夠不留任何空隙。

儲(chǔ)熱多，即在去熱不良的狀態(tài)下，可以吸收較多的熱量而自身溫度升高較少。

提出此要求的目的是為了應(yīng)付發(fā)熱設(shè)備功率突然提升，或風(fēng)扇停轉(zhuǎn)等散熱器性能突然喪失的狀況。眾所周知，CPU、顯示核心等高速半導(dǎo)體芯片在滿負(fù)荷工作時(shí)所產(chǎn)生的熱量較閑置狀態(tài)下大幅增加；散熱器失效時(shí)，發(fā)熱設(shè)備所產(chǎn)生的熱量無法及時(shí)散失，情況更是危險(xiǎn)。此類狀況中，如果散熱片吸熱底沒有一定的儲(chǔ)熱能力作為熱量的緩沖，散熱片與發(fā)熱設(shè)備本身的溫度都會(huì)迅速升高，輕則由于溫度的迅速變化加快設(shè)備老化，重則未能及時(shí)發(fā)動(dòng)過溫保護(hù)機(jī)制導(dǎo)致設(shè)備燒毀。因此，散熱片的儲(chǔ)熱能力就是其抑制發(fā)熱設(shè)備溫度激增的能力，對(duì)散熱效果并沒有直接的影響。

熱阻小，即傳導(dǎo)相同功率熱量時(shí)，吸熱底與發(fā)熱設(shè)備及鰭片兩個(gè)介面間的溫差小。

散熱片的整體熱阻就是由與發(fā)熱設(shè)備的接觸面開始逐層累計(jì)而來，吸熱底內(nèi)部的熱傳導(dǎo)阻抗是其中不可忽視的一部分。由于計(jì)算機(jī)風(fēng)冷散熱器所針對(duì)的發(fā)熱設(shè)備通常體積較小，為了將吸收的熱量有效地傳導(dǎo)到盡量多的鰭片上，因此還需要吸熱底有較好的橫向熱傳導(dǎo)能力。

去熱快，即能夠?qū)陌l(fā)熱設(shè)備吸收的熱量迅速的傳導(dǎo)到鰭片部分，進(jìn)而散失。

吸熱底與鰭片部分間的結(jié)合情況，即結(jié)合面積與熱傳導(dǎo)的介面阻抗，對(duì)能否達(dá)成此要求起著決定性的作用。

既然已經(jīng)提出要求，在設(shè)計(jì)方面應(yīng)該采取哪些措施來滿足它們呢？

1.提高與CPU接觸面的平整度。為了提升吸熱能力，希望散熱片與發(fā)熱設(shè)備緊密結(jié)合，不留任何空隙，可惜這是無法實(shí)現(xiàn)的。因此，應(yīng)采用具有較低熱阻及較佳適應(yīng)性的材料填充其中的空隙，這便是導(dǎo)熱膏的用武之地。但導(dǎo)熱膏的熱阻始終要高于加工散熱片的金屬材料，要想根本上提高散熱片吸熱底的吸熱能力，就必須提高其底面平整度。平整度是通過表面最大落差高度來衡量的，通常散熱片的底部稍經(jīng)處理即可達(dá)到0.1mm以下，采用銑床或多道拉絲處理可以達(dá)到0.03mm，而CNC銑床或研磨則可以達(dá)到更好的效果，我們將在后文進(jìn)行具體介紹?？傊?，散熱片的吸熱底越平整，越有利于熱量吸收，但由于無法做到完美，涂抹導(dǎo)熱膏成為了安裝散熱器的必須步驟。

2.材料的比熱容要高。前文中已經(jīng)介紹了比熱容的概念，從中可以得知：令1千克的銅溫度升高1攝氏度需要吸收93卡的熱量，而令千克鋁溫度升高1攝氏度則需要吸收217卡的熱量。那么是否采用鋁質(zhì)吸熱底的散熱片可以獲得更好的儲(chǔ)熱效果呢？并非如此！因?yàn)榫唧w物體的儲(chǔ)熱能力還決定于其質(zhì)量，具體到散熱片的吸熱底，相同體積下，就決定于材質(zhì)密度——銅的密度為8933kg/m^3，鋁的密度為2702kg/m^3。不妨依下述公式計(jì)算一下銅與鋁的體積比熱容：

Cv＝ρxCm

銅的體積比熱容＝8933kg/m^3x93kl/kg*°C≈0.83x10^6kl/m^3*K

鋁的體積比熱容＝2702kg/m^3x217kl/kg*°C≈0.58x10^6kl/m^3*K

結(jié)果很清楚了，相同體積的銅與鋁材（包括各種鋁合金），發(fā)生相同的溫度變化時(shí)，銅可以比鋁多吸收約40％的熱量，即可以更好的抑制發(fā)熱設(shè)備溫度的激增。這正是中高端散熱器即便不采用全銅設(shè)計(jì)，也要采用銅鋁結(jié)合的吸熱底設(shè)計(jì)的原因。

除了材質(zhì)上選擇具有更高“體積比熱容”的材料外，還可以在吸熱底的形狀設(shè)計(jì)上進(jìn)行發(fā)揮——保持吸熱底厚度不變，增大底面積，或者保持底面積不變，增加吸熱底的厚度，都可以增大吸熱底體積，進(jìn)而提高熱容量。

3.材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)要高。要降低吸熱底內(nèi)部熱阻，采用熱傳導(dǎo)系數(shù)更高的銅的確是比鋁合金更好的選擇，也正是目前許多中高端散熱器所采用的方法。確定了吸熱底的材質(zhì)，還可以通過調(diào)整吸熱底的形狀設(shè)計(jì)改變其熱阻。此時(shí)，就面臨著吸熱底縱向與橫向熱阻的平衡問題。

根據(jù)熱傳導(dǎo)的基本常識(shí)——截面積越大，熱阻越小，厚度越大，熱阻越大。具體到吸熱底的形狀設(shè)計(jì)——面積越大，厚度越薄，縱向熱阻越??；相反，厚度越厚，橫向熱阻越小，鰭片的有效連接面積越大?？v向與橫向熱阻分別對(duì)吸熱底的形狀提出了互相矛盾的要求，這就需要設(shè)計(jì)者在其中作出權(quán)衡，選擇合適的面積、厚度與形狀，令縱向與橫向熱阻都可達(dá)到要求，如果沒能尋找到合適的平衡點(diǎn)，則可能出現(xiàn)一些對(duì)導(dǎo)熱甚至散熱片整體性能造成嚴(yán)重不利影響的情況：

厚度大，面積小——橫向熱阻小，可有效利用連接其上的鰭片，但縱向熱阻大，增加了散熱片的整體熱阻，不利于整體性能提高。

厚度小，面積大——縱向熱阻小，但橫向?qū)峤孛妫ㄅc底面垂直）狹小，橫向熱阻大，外圍大量與底面連接的鰭片無法發(fā)揮作用，形同虛設(shè)，實(shí)際縱向?qū)崦娣e并不大。

上文只是針對(duì)傳統(tǒng)的平板型吸熱底+直立鰭片設(shè)計(jì)，目前可以說已經(jīng)被設(shè)計(jì)人員完全“吃透”了，通常產(chǎn)品設(shè)計(jì)都采用了適當(dāng)?shù)拿?高比。但隨著性能需求的提高，設(shè)計(jì)人員開始跳出這種設(shè)計(jì)的限制，采用一些更符合熱力學(xué)原理的吸熱底形狀設(shè)計(jì)，減小熱阻，并針對(duì)集中發(fā)熱位置（例如CPU核心），采用大熱容量的特別設(shè)計(jì)。例如一些銅鋁結(jié)合散熱片的銅柱+放射狀鰭片，以及一些在原有平板型基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的弧形或“屋檐”形吸熱底等。

4.增加散熱面積。為了滿足去熱快的要求，就需要吸熱底與鰭片間的連接面積盡量大，熱傳導(dǎo)介面阻抗盡量小，同樣要令吸熱底與鰭片盡量緊密的結(jié)合，需要較好的介面平整度。吸熱底與鰭片的結(jié)合方式與連接面積將在下文的導(dǎo)熱設(shè)計(jì)中介紹；結(jié)合程度則基本上取決于散熱片整體成形或吸熱底與鰭片間的結(jié)合工藝，將在稍后的工藝部分中詳細(xì)介紹。

從吸熱底的設(shè)計(jì)中，就可以看到整個(gè)散熱片設(shè)計(jì)的訴求——快進(jìn)、快出、低阻抗，以及所面臨的問題——多種因素間矛盾的平衡。

單就吸熱底設(shè)計(jì)而言，吸熱與去熱的要求是越快越好，局部并不存在與之矛盾的因素,只需盡力在材料與工藝方面進(jìn)行改進(jìn)即可；為了減小熱阻，增大與鰭片間的有效連接面積，必須要面對(duì)厚度與面積間的矛盾；儲(chǔ)熱能力的要求看似只要增大體積，實(shí)際對(duì)導(dǎo)熱能力同樣存在影響，難免產(chǎn)生矛盾。不但形狀設(shè)計(jì)，吸熱底材料的選擇同樣需要顧慮到重量、尺寸等條件的限制。

導(dǎo)熱設(shè)計(jì)：

散熱片的根本作用就是熱量的傳導(dǎo)途徑，自然在每一個(gè)部分都會(huì)強(qiáng)調(diào)其導(dǎo)熱能力。散熱片的導(dǎo)熱途徑中，重要的環(huán)節(jié)有：發(fā)熱設(shè)備-吸熱底、吸熱底內(nèi)部、吸熱底-鰭片、鰭片內(nèi)部。其中，前兩者已在上文中說明。

鰭片是散熱片與周圍環(huán)境（空氣）進(jìn)行熱交換的主要場所，因此，要迅速的散失掉吸熱底吸收來的熱量，就應(yīng)將其傳導(dǎo)到鰭片的每個(gè)部分。該傳導(dǎo)過程最重要的環(huán)節(jié)就是吸熱底到鰭片的熱量傳導(dǎo)。

上文已經(jīng)提到，吸熱底與鰭片間的導(dǎo)熱能力，在設(shè)計(jì)上取決于結(jié)合方式與連接面積。兩者間的結(jié)合方式主要分為“先天”與“后天”兩種：“先天”方式即散熱片為一體成形，吸熱底與鰭片本就是一片金屬，并不需經(jīng)過后續(xù)處理，沒有介面阻抗，且設(shè)計(jì)簡單，兩者間的熱傳導(dǎo)瓶頸僅有連接面積一項(xiàng)，主要受鰭片設(shè)計(jì)與工藝影響。“后天”方式即吸熱底與鰭片分別成形后，采用一定工藝結(jié)合