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| 《 CPU散热风扇之“功夫秘笈” 》 |
| 散热技术有多种：风冷散热、水冷散热、热管散热、热电制冷以及综合散热技术。其中风冷散热因其安装简便、成本较低、散热效果明显、适应性强、产品更新换代灵活等特点成为当今散热技术的主流。 所谓风冷，就是利用空气冷却的一种方式，常用的风冷散热器主要由散热片、散热风扇、再辅以导热介质进行工作。使用风冷散热器的目的，就是要使处理器内核温度始终处于安全工作范围内，确保系统安全运行。为了充分认识风冷散热器，我们将给大家进行介绍，对风冷散热器的组成部分及功能作简单的描述，分析风冷散热的原理及传热过程，并分别介绍风冷散热器的各个组成部分。 一、影响风冷散热器散热效果的五大要素 风冷散热器由散热风扇、散热片、扣具、导热介质四部分构成。这四者缺一不可，再加上环境因素，就形成了影响风冷散热器散热效果的五大要素。 ●导热介质:减少或克服散热器底部与处理器表面接触不充分而产生的接触热阻，填充缝隙，增大热源与散热片的接触面积，减小热流距离，增大热传导量。 ●散热片:负责吸收热源发出的热量(通过传导方式吸热)，并将吸入的热量放出(通过强制对流方式放热)。 ●扣具:固定散热器，用压力确保散热器底部与处理器表面良好接触，保证散热片与热源有一定的接触面积，充分发挥散热效果。 ●环境:提供一定温度、一定压力下的冷流体(空气)，将传递至散热片的热量进行对流换热，并散热到空气中。 ●风扇:提供一定风量、风压的气流，在气流与散热片表面之间进行强制对流散热，通过空气把传递到散热片的热量及时带走。 二、风冷散热器传热过程分析 我们知道，热量传递的基本方式有三种，即热传导、热对流和热辐射。对于风冷散热器而言，热传导与热对流是主要的热量传递方式，热辐射与热对流和热传导有本质的不同，热辐射能把热量以光的速度穿过真空(空气)从一个物体传给另一个物体(冷热物体不需要直接接触)。在风冷散热器中为分析方便，一般都把辐射换热折算成对流换热，加大对流换热系数来考虑辐射换热因素。热传导是两种温度不同的物体之间，或同一物体但温度不同的两部分之间，因直接接触而引起的热量交换，物体各部分之间不发生相对位移，导热过程一直进行到接触物体的温度相等为止。 ●热量在CPU内的热传导(CPU放热); ●热量从CPU表面传递到散热片基部(底部厚度范围内的热传导)； ●热量从散热基部传递到鳍片端部(鳍片范围内的热传导)； ●散热片内的热量通过风扇强制对流散发到空气中(热对流、散热片放热和空气吸热)。 传热过程分析 ●热量在CPU内的传导，我们无法控制，因为芯片制造厂注定了它的内部条件。因此，我们只有通过外部条件来改变，即用散热器的改变来控制。 ●散热器的散热片与CPU接触，它们是温度不同的两个物体，由于存在温差，因此产生了热传导。使用散热器的目的是要降低CPU的温度，使CPU工作温度始终低于其最高允许值，并处于安全工作范围内，即散热片必须将CPU发出的热量大量带走。要达到此目的，从热传导公式可以看出，传热量与导热系数、接触面积和平均传热温差成正比，因此可以选用不同的散热片材料。在后面谈散热片时，我们会专门讲到，不同的金属导热能力不同，银最好，其次为纯铜、金、纯铝及铝合金。 对接触面积而言，由于芯片的表面积由芯片厂商制造时已经固定，但芯片表面与散热片表面在接触时，不可能完全密合，因芯片与散热片表面不可能完全平滑，导热接触面积缩减，热流距离拉大，因此，加入导热介质可以填补这个缺陷。 ●由于散热器基部与鳍片部分虽然为同一物体，但它们是同一物体不同温度的两个部分，存在温差，因此，也存在热传导。CPU的温度要不断的降低，要求散热片不断的把CPU热量大量带走，同时也要求把散热片基部的热量尽量带到鳍片端部以便进行对流换热。要加大这部分的传热量，主要靠改善鳍片与散热片的接触面积来实现，鳍片底部与散热片基部的连接处为弧状，就是为了增大接触面积，以增加基部传导到鳍片部分的热量。 ●散热片将CPU的热量吸入后，要尽量将其吸入的热量放出，才能不断吸取新的热量，要不断的将热量尽量放出，这就需要通过风扇强有力的对流，才能实现。从热对流换热量的公式中可以看出，对流换热量与换热系数、换热面积、鳍片表面平均温度与冷流体温度之差成正比。换热面积主要是散热片的鳍片的表面积及鳍片之间基部面积被风吹到的部分，现在的散热片的鳍片越来越薄越来越密，都是为了增大换热面积。 三、认识散热片 散热片是风冷散热器的重要组成部分，没有散热片，热传导就不能实现，CPU的热量要大量带走就不容易。影响散热片特性的因素有导热系数、接触面积、底部厚度、热流距离、对流换热面积以及散热片的鳍片与流体流动方向的一致性。 1.不同的材料导热系数也不同，导热系数越大，热传导能力越强 导热系数的大小表明金属导热能力的大小，导热系数越大，导热热阻值相应降低，导热能力增强。 在金属材料中，银的导热系数最高(表)，但成本高；纯铜其次，但加工不容易。在风冷散热器中一般用6063T5铝合金，这是因为铝合金的加工性好(纯铝由于硬度不足，很难进行切削加工)、表面处理容易、成本低廉。但随着散热需求的提高，综合运用各种导热系数高的材料，已是大势所趋。有部分散热片采用了纯铜或铜铝结合的方式来制造。例如，有的散热片底部采用纯铜，是为了发挥铜的导热系数大，传热量相对大的优点，而鳍片部分仍采用铝合金片，是为了加工容易，将换热面积尽可能做大，以便对流换热量增大。但是此种方法最大的难点在于如何将铜与铝型鳍片充分地连接，如果连接不好，接触热阻会大量产生，反而影响散热效果。 2.材质相同时，接触面积越大，热传导效果越明显 根据热传导理论，导热量与接触面积成正比。对于CPU散热器而言，CPU表面积已越来越来越小，接触面积已经受限，且散热器底部与CPU表面因不可能完全平滑，所以需要选用适当的导热介质填充空隙，可增大接触面积，达到将热源的热量大量带走的目的。前面谈到，散热片吸入的热量要尽量传至鳍片以便对流换热，主要靠改善鳍片与散热片的接触面积来实现，鳍片底部与散热片基部的连接处用弧状，就是为了增大接触面积。 3.散热片底部厚度与热流距离 由传导公式得知，导热量与热流距离成反比，但现在的散热片为何底部加厚？经实验得知，导热量与底部厚度并非是线性关系。这与高热传递时，散热片的热容量有关。散热片底部的功能是要将热源的热量大量吸走，如果底部厚度不足，散热片的热容量则不足，传热量会受到限制，提高了散热片壁面温度，散热片周围空气温度上升，气流动力粘度因空气温度的上升而增大，导致空气流动受阻，散热片与空气对流换热量将减小，对流换热热阻加大，热源的温度就无法降到理想的程度。当电脑关机后，风扇则停止运转，强制对流立即终止了，但热源的残余热量传入散热片并没有立即终止，也要求散热片有足够的热容空间来保证将处理器的残热带走，以保护处理器。因此散热片的底部必须保证有足够的厚度。当热量经由散热片底部向四周进行热传导时，会存在温度梯度，也就是热量沿着行经的路径随距离的增加而递减。传热量与传导距离成反比关系，因此减低热流距离，可以增加传热量，但散热面积会受影响，这时增加传热路径的截面积(鳍片厚度)及鳍片数目，可有效地提升传热量，达到将热源的热量大量吸走的目的。 由实验得知，对于新赛扬处理器，2～3.5mm的底部厚度完全可满足吸热需求；对于奔腾Ⅲ(铜矿)处理器底部厚度4～5.5mm则完全可以满足吸热需求；但对于毒龙或雷鸟处理器，就需5mm以上才能满足吸热需求。当然，对于同一类型的处理器，功耗不同，吸热需求也不同。 4.换热面积 散热片的任务除了负责将热源的热量大量吸去外，另一任务是要提供足够大的换热面积，在风扇对流的配合下，把从热源处吸来的热量及时散发到空气中去。而负责散发热量的部分主要是散热片的鳍片部分。根据对流换热公式可得知，对流换热面积越大，则换热量越大。当然必须配合风量风压都足够大的风扇才能实现。换热面积为鳍片的表面积与鳍片底部间隙面积之和。因此选用散热器时，要选鳍片较多较密的。 5.散热器鳍片的方向应尽量顺着流体的方向 由于空气流经散热片时，温度会升高，如果散热器鳍片顺着流体流动方向，热气流会迅速流出，会提高流体换热系数，如果方向不顺，则冷热气流碰撞反而不利于热气流及时排出，致使热量散发变慢。因此鳍片方向要尽量与气流方向相同，如现在有的风扇改用侧装式，就是为了气流方向与鳍片方向相同。也有的散热片剖沟时，采用适当的方式，使气体顺着剖沟方向流出，也可达到增加换热量的目的。 四、认识导热介质与扣具 前面已经谈到，由于散热器底部与处理器表面接触不充分会产生接触热阻。利用导热介质能填充缝隙、增大热源与散热片的接触面积、减小热流距离、增大的传热量。 而扣具是固定散热器，确保散热器底部与处理器表面良好接触，保证散热片与热源有一定的接触面积，充分发挥散热效果。下面我们就逐一进行分析。 1.散热片底部与处理器接触不充分会产生接触热阻 在固体与固体的接触面上，往往真实接触面只是可视接触面的1/100～1/1000，也就是说在固体接触面上存在有间隙，间隙间有空气，这样接触面上就产生了相当的热阻，称为接触热阻。 无论散热装置设计得多么优良，一旦有空隙，就会产生接触热阻，并将导致散热能力大打折扣。这其中最主要的原因是接在插座上，以及将散热器固定于处理器上的扣具。不过，微小的间隙还是无法避免，因为材质本身不可能完全地平直与光滑，而且，扣具的压力可能也不均匀。因此必须使用导热介质(如硅脂)来填充这些微小的空隙。粘于散热器底部的散热胶带也有此作用。 两个接触面因不平滑，接触后有空隙，空隙内有空气，气隙阻碍热量流动，热流距离加大，传热量减小 加入导热介质后，空隙被填充，热流距离减小，传热量加大(导热材料应尽量薄)；此图两接触面尚未完全密合，须加大压紧力，使导热介质进一步压薄，直至两接触面的最高点接触为止，这样可进一步缩短热流距离，增大传热量。 2.扣具重心必须与处理器中心重合 散热器的扣具由长短边组成，而扣具的重心(底部弯折的部分)会随着长边和短边的张力不同发生轻微变化，散热器底部厚度也会影响扣具张力变化，这一点变化正是影响散热器与CPU的die(CPU核芯)是否充分吻合的关键。要注意的是重心与die的中心在同一竖直线上，这是最理想的。图8为较为常见的扣具示意图。 P4 CPU所用散热器的弹片扣具如图9所示，此时，须注意弹片两边挂钩沟槽深度必须一致，底部必须平滑，否则会造成受力不均。 3.扣具压紧应力大小必须控制 扣具的设计除保证使散热器底部与处理器均匀受力外，压紧应力的大小也必须控制。底部厚度不同的散热器，即使用同一扣具，压力也会发生变化。压力太小会产生空隙，严重者会松脱，增加热阻；太大会压坏处理器。因此扣具的压力必须控制在一定范围内。 4.导热介质最好用硅脂 目前有各种形式的导热介质，如石墨胶片、铝箔导热垫片、相变导热垫片(外加保护膜)，硅脂导热膏等。经试验，硅脂导热膏因其热阻低、高填充性及高温下不会风干等特点而使用效果最好。图10中的针管及袋装硅脂为"风神360型导热硅脂"，图中的锡管包装为Stars-922硅脂(粘性较强，主要用于显卡及主板散热器)。 在导热介质中，硅脂因具有流体性质，其填充能力无与伦比。而导热垫片，须在一定温度下才会发生相变，如Chomerics生产的T725导热胶垫，影响力不小，但其温度须上升到58℃才发生相变，由固态变为流态，因此相变之前的填充能力差，在测试降温能力时，应用T725导热介质后，CPU温度会比采用导热硅脂时高5～10℃，因此初期效果并不好，但发生相变后，温度才会下降。这种介质不适用于低发热量的新赛扬及奔腾Ⅲ(铜矿)，可用于散热器总热阻较低者，并可防止芯片被磨伤。 为了完全避免处理器表面刮伤，有时也用相变导热胶垫，美国贝格斯特(BERGQUIST)公司生产的225U型相变导热材料使用效果也较好，但使用前须用烘箱或加热枪将散热片加热至35～50℃，再将相变导热材料贴在散热器上，比较麻烦。其热阻随扣具压力的变化而变化，压力越大，热阻越小。实际效果不会比导热硅脂差。 5.如何判断散热器与CPU的die是否充分接触 我们可以通过安装后硅脂在散热器和CPU上的附着状态来判断。在CPU的die上涂上一点硅脂，只要能够薄薄地覆盖一层就够了，不需要太多，也不需要将硅脂涂抹均匀，将散热风扇小心地安装到插座上，扣好后再取下，此时可以观看硅脂的状态。如果散热器和CPU吻合得较好，此时die上的硅脂应该是很薄很薄的一层，至少能看得出die的本色，非常均匀，在散热器上的情况应和die上相同。如果出现不均匀的情况，可能是扣具的重心不对，可以对它进行调整或更换(好的扣具因重心设计有针对性，不需要调整)；也可能是散热器底部不平，这样的散热器就是品质有瑕疵。还有一点，硅脂在die上的厚薄能说明扣具长短边张力的大小及散热器底部与die的接触是否密合，如果张力太大，对CPU的压力就大，容易造成损坏CPU，如果张力不够，硅脂就会比较厚一点，不利于充分散热。
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| 2001年8月16日收录 |
