散熱的原理與技術(shù)解析

散熱的原理與技術(shù)解析一般說(shuō)來(lái)，依照從散熱器帶走熱量的方式，可以將散熱器分為主動(dòng)式散熱和被動(dòng)式散熱。所謂的被動(dòng)式散熱，是指通過(guò)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?yàn)槭亲匀簧l(fā)熱量，效果當(dāng)然大打折扣，常常用在那些對(duì)空間沒(méi)有要求的設(shè)備中，或者用于為發(fā)熱量不大的部件散熱，如部分普及型主板在北橋上也采取被動(dòng)式散熱。對(duì)于個(gè)人使用的PC機(jī)來(lái)說(shuō)，絕大多數(shù)采取主動(dòng)式散熱方式，主動(dòng)式散熱就是通過(guò)風(fēng)扇等散熱設(shè)備強(qiáng)迫性地將散熱片發(fā)出的熱量帶走，其特點(diǎn)是散熱效率高，而且設(shè)備體積小。散熱方式對(duì)主動(dòng)式散熱，從散熱方式上細(xì)分，可以分為風(fēng)冷散熱、液冷散熱、熱管散熱、半導(dǎo)體制冷、化學(xué)制冷等等。風(fēng)冷風(fēng)冷散熱是最常見(jiàn)的散熱方式，相比較而言，也是較廉價(jià)的方式。風(fēng)冷散熱從實(shí)質(zhì)上講就是使用風(fēng)扇帶走散熱器所吸收的熱量。具有價(jià)格相對(duì)較低，安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。但對(duì)環(huán)境依賴比較高，例如氣溫升高以及超頻時(shí)其散熱性能就會(huì)大受影響。液冷液冷散熱是通過(guò)液體在泵的帶動(dòng)下強(qiáng)制循環(huán)帶走散熱器的熱量，與風(fēng)冷相比，具有安靜、降溫穩(wěn)定、對(duì)環(huán)境依賴小等等優(yōu)點(diǎn)。液冷的價(jià)格相對(duì)較高，而且安裝也相對(duì)麻煩一些。同時(shí)安裝時(shí)盡量按照說(shuō)明書指導(dǎo)的方法安裝才能獲得最佳的散熱效果。出于成本及易用性的考慮，液冷散熱通常采用水做為導(dǎo)熱液體，因此液冷散熱器也常常被稱為水冷散熱器。熱管熱管屬于一種傳熱元件，它充分利用了熱傳導(dǎo)原理與致冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，通過(guò)在全封閉真空管內(nèi)的液體的蒸發(fā)與凝結(jié)來(lái)傳遞熱量，具有極高的導(dǎo)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(yuǎn)距離傳熱、可控制溫度等一系列優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)。其導(dǎo)熱能力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)任何已知金屬的導(dǎo)熱能力。半導(dǎo)體制冷半導(dǎo)體制冷就是利用一種特制的半導(dǎo)體制冷片在通電時(shí)產(chǎn)生溫差來(lái)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(gè)半導(dǎo)體顆粒上都產(chǎn)生溫差，一個(gè)制冷片由幾十個(gè)這樣的顆粒串聯(lián)而成，從而在制冷片的兩個(gè)表面形成一個(gè)溫差。利用這種溫差現(xiàn)象，配合風(fēng)冷/水冷對(duì)高溫端進(jìn)行降溫，能得到優(yōu)秀的散熱效果。半導(dǎo)體制冷具有制冷溫度低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，冷面溫度可以達(dá)到零下10°C以下，但是成本太高，而且可能會(huì)因溫度過(guò)低導(dǎo)致CPU結(jié)露造成短路，而且現(xiàn)在半導(dǎo)體制冷片的工藝也不成熟，不夠?qū)嵱??；瘜W(xué)制冷所謂化學(xué)制冷，就是使用一些超低溫化學(xué)物質(zhì)，利用它們?cè)谌诨臅r(shí)候吸收大量的熱量來(lái)降低溫度。這方面以使用干冰和液氮較為常見(jiàn)。比如使用干冰可以將溫度降低到零下20C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100C以下（理論上），當(dāng)然由于價(jià)格昂貴和持續(xù)時(shí)間太短，這個(gè)方法多見(jiàn)于實(shí)驗(yàn)室或極端的超頻愛(ài)好者。提高散熱片的熱傳導(dǎo)能力無(wú)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CPU快速轉(zhuǎn)移到散熱本體上的問(wèn)題，如對(duì)風(fēng)冷散熱而言，其需要將CPU產(chǎn)生的熱量以熱傳導(dǎo)轉(zhuǎn)移到散熱片，然后由風(fēng)扇高速轉(zhuǎn)動(dòng)將絕大部分熱量通過(guò)對(duì)流（包括強(qiáng)制對(duì)流和自然對(duì)流）的方式帶走；對(duì)液冷散熱同樣如此。在這個(gè)過(guò)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(dǎo)的效率，將熱量帶離熱源。要提高熱傳導(dǎo)的效率，根據(jù)“Q=KxAxAT/AL”的公式，熱傳導(dǎo)能力與散熱片的熱傳導(dǎo)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(duì)此進(jìn)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(dǎo)能力有關(guān)的部分，即一般意義上的散熱器底座，而非整個(gè)散熱器。尤其在探討風(fēng)冷散熱時(shí)這比較容易混淆，因?yàn)閷?duì)風(fēng)冷而言其底座與鰭片大多為一體，但這二者所承擔(dān)的功能與技術(shù)實(shí)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(dǎo)到具有高熱容量導(dǎo)體即鰭片，而鰭片則是傳導(dǎo)過(guò)程的終點(diǎn)，通過(guò)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(gè)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(lái)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(shí)將熱量傳導(dǎo)出去，熱量一旦在Die中積聚，將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。對(duì)散熱器來(lái)說(shuō)，最重要的是其底座能夠在短時(shí)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(duì)于金屬導(dǎo)熱材料而言，比熱和熱傳導(dǎo)系數(shù)是兩個(gè)重要的參數(shù)。熱傳導(dǎo)系數(shù)的定義為：每單位長(zhǎng)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(zhǎng)度單位米，而“K”為絕對(duì)溫度單位。該數(shù)值越大說(shuō)明導(dǎo)熱性能越好。以下是幾種常見(jiàn)金屬的熱傳導(dǎo)系數(shù)表：熱傳導(dǎo)系數(shù)（單位:W/mK）銀銅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(guò)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(jià)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(duì)風(fēng)冷散熱器來(lái)說(shuō)，在考慮材質(zhì)的時(shí)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(xiàng)參數(shù)，鋁的優(yōu)越性就體現(xiàn)出來(lái)。不過(guò)，本文只討論熱傳導(dǎo)方面，對(duì)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(wèn)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(duì)CPU來(lái)說(shuō)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(shuō)來(lái)，無(wú)論兩個(gè)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(jì)優(yōu)異、抓緊力強(qiáng)大的扣具來(lái)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(lái)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(wú)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(shí)使用某種表面具有一定粗糙程度及硬度的工具，常見(jiàn)的如砂紙、銼等，對(duì)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(shí)也會(huì)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(guò)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(guò)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(lái)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(duì)拉絲只需要兩三道工序，比較省時(shí)，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(guò)單片機(jī)精確控制與散熱片間的相對(duì)距離。刀具接觸散熱片底面后，兩者水平方向相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即可對(duì)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(duì)散熱器底處理的工藝，如拋光，不過(guò)，相對(duì)而言，拋光處理更多地是出于散熱器美觀方面的考慮，對(duì)散熱器底面平整度沒(méi)有太大的改善，且處理成本較高。正如我們?cè)谇懊嫠f(shuō)，散熱器底面無(wú)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(duì)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(lái)降低熱阻，否則散熱器的傳導(dǎo)性能會(huì)大打折扣，甚至無(wú)法發(fā)揮作用。這便是導(dǎo)熱介質(zhì)的由來(lái)。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(gè)重要參數(shù)，溫度過(guò)高，導(dǎo)熱硅脂會(huì)因黏稠度降低而變成液態(tài)；溫度過(guò)低，它又會(huì)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°C?180°C。對(duì)于導(dǎo)熱硅脂的工作溫度，一般不用擔(dān)心，畢竟通過(guò)常規(guī)手段很難將cpu的溫度超出這個(gè)范圍，除非您打算用液氮制冷一一那個(gè)溫度下大部分導(dǎo)熱硅脂才會(huì)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(duì)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(yǔ)，但與空氣相比，仍高了許多。由此也可見(jiàn)，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(shuō)法多么無(wú)恥。熱阻系數(shù)熱阻系數(shù)表示物體對(duì)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（C/W），即物體持續(xù)傳熱功率為1W時(shí)，導(dǎo)熱路徑兩端的溫差。熱阻顯然是越低越好，因?yàn)橄嗤沫h(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(duì)于部分沒(méi)有金屬頂蓋保護(hù)的CPU而言，介電常數(shù)是個(gè)非常重要的參數(shù)，這關(guān)系到計(jì)算機(jī)內(nèi)部是否存在短路的問(wèn)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(lái)的短路問(wèn)題，但在涂抹時(shí)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5.1。黏度黏度即指導(dǎo)熱硅脂的黏稠度。一般來(lái)說(shuō)，導(dǎo)熱硅脂的黏度在68左右。使用導(dǎo)熱硅脂的注意事項(xiàng)導(dǎo)熱硅脂涂抹時(shí)最重要的是均勻，能夠覆蓋CPU核心就可以，完全沒(méi)必要涂抹太多甚至厚厚一層，那樣反而會(huì)影響散熱器的性能，要清楚所謂的導(dǎo)熱硅脂的熱傳導(dǎo)系數(shù)高只是相比于空氣而言，與散熱器材質(zhì)如銅甚至鋁相比，要低得多。此外，大多數(shù)普通導(dǎo)熱硅脂在使用一年或更長(zhǎng)時(shí)間后，會(huì)出現(xiàn)“干化”或“硬化”現(xiàn)象，大大影響散熱效果。因此，要保證系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作，定期清理并重新涂抹硅脂也是必要的。我們主要探討了如何快速將熱量帶離熱源，主要涉及熱傳遞三種基本方式中的熱傳導(dǎo)方面。但對(duì)一個(gè)完整的散熱器而言，這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因?yàn)檫@樣只是將熱量轉(zhuǎn)移到散熱本體上，如果不高效地將這些熱量與外界環(huán)境熱交換，散發(fā)到外界環(huán)境中去，則散熱將成為一句空話：隨著熱量在散熱本體上的積存，其散熱能力，特別是熱源與散熱器底座的傳導(dǎo)能力，將急速下降，試想一下極端的情況，一旦散熱本體的溫度與熱源的溫度相當(dāng)時(shí)，無(wú)論散熱器材質(zhì)的熱傳導(dǎo)系數(shù)多高，都無(wú)法將熱量從熱源中帶出了。要提高散熱效率，這時(shí)候需要考慮主要涉及兩個(gè)方面，1，在從熱源帶走同樣熱量的前提下，如何盡量減小散熱器自身溫度的上升幅度，比如說(shuō)同樣的熱量，使得散熱器A自身的溫度上升20度，而散熱器B則可以只上升5度，這樣兩款散熱器的效能優(yōu)劣是顯而易見(jiàn)的。而從熱傳導(dǎo)的基本公式為“Q=KxAx^T/AL”也可看出，只有散熱器自身的溫度上升速度慢下來(lái)，才能保持熱源與散熱器的溫差，從而最終保證熱傳導(dǎo)的效率。這方面主要牽涉到散熱器材質(zhì)的比熱；2,如何加強(qiáng)散熱器與外部環(huán)境的熱交換能力，將熱量驅(qū)離散熱器，這方面的技術(shù)覆蓋范圍相當(dāng)廣，如風(fēng)冷通過(guò)強(qiáng)制對(duì)流的方式將熱量自散熱器帶走，而被動(dòng)散熱則往往巨大的散熱面積與空氣進(jìn)行熱交換，等等。本文將主要以風(fēng)冷散熱器為例分析相應(yīng)的技術(shù)原理與實(shí)現(xiàn)策略，當(dāng)然其中的大部分的探討同樣也適用于被動(dòng)散熱、水冷與熱管等散熱技術(shù)。至于對(duì)其他散熱方式如水冷、熱管等的的探討將放到本文的下一部分，到時(shí)候再詳細(xì)探討與外界環(huán)境的不同熱交換方式的實(shí)現(xiàn)。散熱器材質(zhì)的比熱在本文的第一部分中，我們?cè)接懥松崞鞑馁|(zhì)的傳導(dǎo)能力，但是，正如上面所言，對(duì)散熱器而言，比熱也是必須考慮的技術(shù)指標(biāo)，高比熱的材質(zhì)，可以在一定程度上保證散熱器不致因熱源產(chǎn)生的熱量不斷傳來(lái)，不致隨工作時(shí)間的延長(zhǎng)而迅速降低散熱能力。比熱在一定程度上代表物體的容熱能力。在物理學(xué)中，對(duì)比熱的定義為：?jiǎn)挝毁|(zhì)量需要輸入多少能量才能使溫度上升一攝氏度，其單位為卡/（千克x°C）。以下是幾種常見(jiàn)物質(zhì)的比熱表散熱器材質(zhì)的比熱［單位：卡/（千克x°C）］水1000鋁217鐵113銅93銀56鉛31我們看到，水的比熱遠(yuǎn)高于金屬，有更強(qiáng)的容熱能力，也正因?yàn)榇耍渫兄錾纳嵝Ч?，?dāng)然，這也與水冷系統(tǒng)強(qiáng)制循環(huán)的效率有關(guān)，在此暫不贅述。散熱器與環(huán)境的熱交換當(dāng)熱量傳到散熱器的頂部后，就需要盡快地將傳來(lái)的熱量散發(fā)到周邊環(huán)境中去，對(duì)風(fēng)冷散熱器而言就是要與周圍的空氣進(jìn)行熱交換。這時(shí)，熱量是在兩種不同介質(zhì)間傳遞，所依循的公式為Q=aXAXAT，其中AT為兩種介質(zhì)間的溫差，即散熱器與周圍環(huán)境空氣的溫度差；而a為流體的導(dǎo)熱系數(shù)，在散熱片材質(zhì)和空氣成分確定后，它就是一個(gè)固定值；其中最重要的A是散熱片和空氣的接觸面積，在其他條件不變的前提下，如散熱器的體積一般都會(huì)有所限制，機(jī)箱內(nèi)的空間有限，過(guò)大會(huì)加大安裝的難度，而通過(guò)改變散熱器的形狀，增大其與空氣的接觸面積，增加熱交換面積，是提高散熱效率的有效手段。、要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，一般通過(guò)用鰭片式設(shè)計(jì)輔以表面粗糙化或螺紋等辦法來(lái)增大表面積。當(dāng)熱量傳遞給空氣后，和散熱片接觸的空氣溫度會(huì)急速上升，這時(shí)候，熱空氣應(yīng)該盡可能和周圍的冷空氣通過(guò)對(duì)流等熱交換方式來(lái)將熱量帶走，對(duì)風(fēng)冷散熱器來(lái)說(shuō)，最主要的手段便是提高空氣流動(dòng)的速度，使用風(fēng)扇來(lái)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制對(duì)流。這點(diǎn)主要和風(fēng)扇的設(shè)計(jì)和風(fēng)速有關(guān)，散熱器風(fēng)扇的效能（例如流量、風(fēng)壓）主要取決于風(fēng)扇扇葉直徑、軸向長(zhǎng)度、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和扇葉形狀。風(fēng)扇的流量大都采用CFM為單位（英制，立方英尺/分鐘），一個(gè)CFM大約為0.028mm3/分鐘的流量。散熱器材質(zhì)的選擇需要指出的是，在本系列文章中，為說(shuō)明方便，在散熱器材質(zhì)方面，我們分別從提高熱量從熱源轉(zhuǎn)移到散熱器的效率，即選擇具有高傳導(dǎo)能力的材質(zhì)，和提高散熱器的容熱能力，即選擇高比熱的材質(zhì)，兩個(gè)側(cè)面進(jìn)行探討，不過(guò)，在實(shí)際散熱器的設(shè)計(jì)中，對(duì)應(yīng)的二者之間的選擇則不是分離的，尤其在中低端風(fēng)冷散熱器的設(shè)計(jì)中，出于降低成本的目的，更多的是將二者綜合起來(lái)考慮，通過(guò)使用熱傳導(dǎo)能力和比熱兩方面相對(duì)均衡的一種材質(zhì)達(dá)到相對(duì)尚可的效果。當(dāng)然，對(duì)高端散熱器而言，僅僅使用一種材質(zhì)則未必達(dá)到理想的性能指標(biāo)，則需考慮使用熱傳導(dǎo)能力強(qiáng)的材質(zhì)與比熱較大的材質(zhì)等至少兩種以上材質(zhì)結(jié)合。一般說(shuō)來(lái)，普通風(fēng)冷散熱器自然要選擇金屬作為散熱器的材料。對(duì)所選用的材料，希望其同時(shí)具有高比熱和高熱傳導(dǎo)系數(shù)，鋁的這兩個(gè)參數(shù)都居于前列，是一個(gè)相當(dāng)不錯(cuò)的選擇。由于鋁具有密度小，延展性好，易于加工等特點(diǎn)，當(dāng)然，價(jià)格遠(yuǎn)比銅之類便宜，所以目前絕大多數(shù)散熱器都采用鋁作為主要材料。不過(guò)，純鋁硬度不足，切削性能差，所以在實(shí)際生產(chǎn)中，廠商門為了保證產(chǎn)品有適當(dāng)?shù)挠捕?，都采用鋁合金來(lái)制造實(shí)際產(chǎn)品（鋁約占總成分的98%），當(dāng)然摻雜了其他金屬會(huì)導(dǎo)致散熱性能有所降低，不過(guò)，鋁優(yōu)良的導(dǎo)熱能力在鋁合金身上基本上得到保留。相比較而言，銅和鋁合金二者同時(shí)各有其優(yōu)缺點(diǎn)：銅的導(dǎo)熱性好，但價(jià)格較貴，加工難度較高，重量過(guò)大，且銅制散熱器熱容量較小，而且容易氧化。另一方面純鋁太軟，不能直接使用，都是使用的鋁合金才能提供足夠的硬度，鋁合金的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉，重量輕，但導(dǎo)熱性比銅就要差很多。純鋁散熱器純鋁散熱器是早期最為常見(jiàn)的散熱器，其制造工藝簡(jiǎn)單，成本低，到目前為止，純鋁散熱器仍然占據(jù)著相當(dāng)一部分市場(chǎng)。為增加其鰭片的散熱面積，純鋁散熱器最常用的加工手段是鋁擠壓技術(shù)，而評(píng)價(jià)一款純鋁散熱器的主要指標(biāo)是散熱器底座的厚度和Pin-Fin比。Pin是指散熱片的鰭片的高度，F(xiàn)in是指相鄰的兩枚鰭片之間的距離。Pin-Fin比是用Pin的高度（不含底座厚度）除以Fin，Pin-Fin比越大意味著散熱器的有效散熱面積越大，代表鋁擠壓技術(shù)越先進(jìn)。純銅散熱器銅的熱傳導(dǎo)系數(shù)是鋁的1.69倍，所以在其他條件相同的前提下，純銅散熱器能夠更快地將熱量從熱源中帶走。不過(guò)銅的質(zhì)地是個(gè)問(wèn)題，很多標(biāo)榜“純銅散熱器”其實(shí)并非是真正的100%的銅。在銅的列表中，含銅量超過(guò)99%的被稱為無(wú)酸素銅，下一個(gè)檔次的銅為含銅量為85%以下的丹銅。目前市場(chǎng)上大多數(shù)的純銅散熱器的含銅量都在介于兩者之間。而一些劣質(zhì)純銅散熱器的含銅量甚至連85%都不到，雖然成本很低，但其熱傳導(dǎo)能力大大降低，影響了散熱性。此外，銅也有明顯的缺點(diǎn)，成本高，加工難，散熱器質(zhì)量太大都阻礙了全銅散熱片的應(yīng)用。紅銅的硬度不如鋁合金AL6063，某些機(jī)械加工（如剖溝等）性能不如鋁；銅的熔點(diǎn)比鋁高很多，不利于擠壓成形（Extrusion）等等問(wèn)題。雖然，目前最常用的散熱片材料是銅和鋁合金，鋁合金容易加工，成本低，是應(yīng)用最多的材料，而銅較高的熱傳導(dǎo)系數(shù)，使得其瞬間吸熱能力比鋁合金好，但散熱的速度就較鋁合金要慢。因此，無(wú)論純銅、純鋁、還是鋁合金散熱器，都有一個(gè)致命的缺陷：由于只使用一種材質(zhì)，雖然基本的散熱能力能夠滿足輕度散熱的需要，但由于無(wú)法很好地均衡熱傳導(dǎo)能力和熱容量能力兩個(gè)方面的要求，在散熱要求較高的場(chǎng)合便未免有些力不從心了。銅鋁結(jié)合技術(shù)在考慮了銅和鋁這兩種材質(zhì)各自的缺點(diǎn)后，目前市場(chǎng)部分高端散熱器往往采用銅鋁結(jié)合制造工藝，這些散熱片通常都采用銅金屬底座，而散熱鰭片則采用鋁合金，當(dāng)然，除了銅底，也有散熱片使用銅柱等方法，也是相同的原理。憑借較高的導(dǎo)熱系數(shù)，銅制底面可以快速吸收CPU釋放的熱量；鋁制鰭片可以借助復(fù)雜的工藝手段制成最有利于散熱的形狀，并提供較大的儲(chǔ)熱空間并快速釋放，這在各方面找到了的一個(gè)均衡點(diǎn)。熱量從CPU核心散發(fā)到散熱片表面，是一個(gè)熱傳導(dǎo)過(guò)程。對(duì)于散熱片的底座而言，由于直接與高熱量的小面積熱源接觸，這就要求底座能夠迅速將熱量傳導(dǎo)開(kāi)來(lái)。散熱片選用較高熱傳導(dǎo)系數(shù)的材料對(duì)提高熱傳導(dǎo)效率很有幫助。通過(guò)熱傳導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)照表可以看出，如鋁的熱傳導(dǎo)系數(shù)237W/mK，銅的熱傳導(dǎo)系數(shù)則為401W/mK，而比較同樣體積的散熱器，銅的重量是鋁的3倍，而鋁的比熱僅為銅的2.3倍，所以相同體積下，銅質(zhì)散熱器可以比鋁質(zhì)散熱器容納更多的熱量，升溫更慢。同樣厚度的散熱器底座，銅不但可以快速引走熱源如CPUDie的溫度，自己的溫度上升也比鋁的散熱片緩慢。因此銅更適合做成散熱器的底面。不過(guò)，這兩種金屬的結(jié)合比較困難，銅和鋁之間的親和力較差，如果接合處理不好，便會(huì)產(chǎn)生較大的介面熱阻（即兩種金屬之間由于不充分接觸而產(chǎn)生的熱阻）。在實(shí)際設(shè)計(jì)和制造中，廠商總是盡可能降低介面熱阻，揚(yáng)長(zhǎng)避短，往往這也體現(xiàn)了廠商的設(shè)計(jì)能力與制造工藝。常見(jiàn)的銅鋁結(jié)合工藝包括：扦焊扦焊是采用熔點(diǎn)比母材熔點(diǎn)低的金屬材料作為焊料，在低于母材熔點(diǎn)而高于焊料熔點(diǎn)的溫度下，利用液態(tài)焊料潤(rùn)濕母材，填充接頭間隙，然后冷凝形成牢固接合界面的焊接方法。主要工序有：材料前處理、組裝、加熱焊接、冷卻、后處理等工序。常用的扦焊方式是錫扦焊，鋁表面在空氣中會(huì)形成一層非常穩(wěn)定的氧化層（AL2O3）,使銅鋁焊接難度較高，這是阻礙焊接的最大因素。必須要將其去除或采用化學(xué)方法將其去除后并電鍍一層鎳或其它容易焊接的金屬，這樣銅鋁才能順利焊接在一起。散熱片上的銅底是進(jìn)行熱的傳導(dǎo)，要求的不僅是機(jī)械強(qiáng)度，更重要的是焊接的面積要大（焊著率要高），才能有效地提升散熱效能，否則不斷不會(huì)提升散熱效能，反而會(huì)使其比全鋁合金的散熱片更加糟糕。貼片、螺絲鎖合貼片工藝是將薄銅片通過(guò)螺絲與鋁制底面結(jié)合，這樣做的主要目的是增加散熱器的瞬間吸熱能力，延長(zhǎng)一部分本身設(shè)計(jì)成熟的純鋁散熱器的生命周期。經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)：在鋁散熱片底部與銅塊之間使用高性能導(dǎo)熱介質(zhì)，施加80Kgf的力壓緊后用螺絲將其鎖緊，其散熱效果與銅鋁焊接的效果相當(dāng)，同樣達(dá)到了預(yù)計(jì)的散熱效能提升幅度。這種方法較焊接簡(jiǎn)單,而且品質(zhì)穩(wěn)定，制程簡(jiǎn)單，投入設(shè)備成本較焊接低，不過(guò)只是作為改進(jìn)，所以性能提升不明顯。雖然有散熱膏填充，銅片與鋁底之間的不完全接觸仍然是熱量傳遞的最大障礙。制造的主要工序有：銅片裁切、校平（平面度小于0.1mm、鉆孔、涂抹導(dǎo)熱介質(zhì)鉆孔、攻牙、清洗、強(qiáng)力預(yù)壓程序、兩段式鎖合作業(yè)、定扭力鎖螺絲。貼片工藝的重點(diǎn)在于控制好銅、鋁平面度和粗糙度，以及鎖螺絲的扭力等因素，即可得到一定的效能提升，是一種不錯(cuò)的銅鋁結(jié)合方式。如果使用的導(dǎo)熱介質(zhì)性能低劣，或是銅塊平整度不良，熱量就不能順利地傳導(dǎo)至鋁的散熱片表面，使散熱效果大打折扣。另外，螺絲的鎖合力和銅材的純度不夠，都是不良的影響因素。銅鋁結(jié)合技術(shù)塞銅嵌銅塞銅方式主要有兩種，一種是將銅片嵌入鋁制底板中，常見(jiàn)于用鋁擠壓工藝制造的散熱器中。由于鋁制散熱器底部的厚度有限，嵌入銅片的體積也受到限制。增加銅片的主要目的是加強(qiáng)散熱器的瞬間吸熱能力，而且與鋁制散熱器的接觸也很有限，所以大多數(shù)情況下，這種銅鋁散熱器比鋁制散熱器的效果好不了多少，在接觸不良的情況下，甚至為妨礙散熱。還有一種是將銅柱嵌入鰭片呈放射狀的鋁制散熱器中。Intel原裝散熱器就是采用了這樣的設(shè)計(jì)。銅柱的體積較大，與散熱器的接觸較為充分。采用銅柱后，散熱器的熱容量和瞬間吸熱能力都能增長(zhǎng)。這種設(shè)計(jì)也是目前OEM采用較多的。比較少見(jiàn)的三角底座塞銅工藝在制造中一般通過(guò)如下方式實(shí)現(xiàn)：機(jī)械式壓合機(jī)械式壓合方式是將一塊直徑尺寸大于鋁孔徑的銅塊，通過(guò)機(jī)械的方式，將其壓合在一起，因?yàn)殇X有延展性，所以銅可以在常溫下與鋁質(zhì)散熱片結(jié)合，這種方式的結(jié)合的效果也是比較可觀，但有一個(gè)致命的缺點(diǎn)就是銅在被擠壓進(jìn)入鋁孔的過(guò)程中，鋁孔內(nèi)表面容易被銅刮傷，嚴(yán)重影響熱的傳導(dǎo)。這要通過(guò)合理搭配過(guò)盈量以及優(yōu)化設(shè)計(jì)銅塊的形狀來(lái)避免此類問(wèn)題的產(chǎn)生。熱脹冷縮結(jié)合在鋁的散熱片底部加工一個(gè)直徑W=D1的圓孔，另外做一個(gè)直徑w=D1+0.1MM的銅柱，利用金屬材料的熱脹冷縮特點(diǎn)，將鋁質(zhì)散熱片加熱至400°C，其受熱膨脹圓孔直徑擴(kuò)張至D1+0.2MM以上。利用專門機(jī)器在高溫下將常溫（或冷卻后的）銅柱快速塞入鋁質(zhì)散熱片之圓孔內(nèi)，待其冷卻收縮后，銅柱與鋁質(zhì)散熱片就能緊密結(jié)合一體。這也是一種可靠的方法，其銅鋁穩(wěn)定性很高，由于沒(méi)有使用第三方介質(zhì)，結(jié)合緊密度最佳。塞銅工藝可以大幅度降低接觸面間的熱阻，不但保證了銅鋁結(jié)合的緊密程度，更充分利用了兩種金屬材料的散熱特性。但要注意銅柱和圓孔的直徑尺寸及表面粗糙度的品質(zhì)控制，這些會(huì)對(duì)其散熱效果有一定的影響。在經(jīng)過(guò)塞銅工藝處理后，散熱器底面往往還要經(jīng)過(guò)“銑”和“磨”處理。銑工藝針對(duì)塞銅處理中的銅芯。磨工藝則針對(duì)整個(gè)散熱片底部進(jìn)行磨平處理。鍛造工藝（冷鍛）鍛造工藝主要由ALPHA公司掌握，其是在金屬的特殊物理狀態(tài)（降伏狀態(tài)）下用高壓將其壓入鍛造模具，并在模具上預(yù)置銅塊，塞入降伏態(tài)的鋁中。由于降伏態(tài)時(shí)鋁的特殊性質(zhì)（非液態(tài)，柔軟，易于加工），銅和鋁可以完美的結(jié)合，達(dá)到中間無(wú)空隙，介面熱阻很小。鍛造工藝難度大，成本高，所以成品價(jià)格高昂，屬于非主流產(chǎn)品。采用這種工藝的散熱片一般都帶有許多密密麻麻的針狀鰭片。這種工藝制造的散熱片樣式豐富，設(shè)計(jì)的想象空間較大，但成本也相對(duì)較高。插齒（CrimpedFin）插齒工藝大膽改進(jìn)傳統(tǒng)的銅鋁結(jié)合技術(shù)。先將銅板刨出細(xì)槽，然后插入鋁片，其利用60噸以上的壓力，把鋁片結(jié)合在銅片的基座中，并且鋁和銅之間沒(méi)有使用任何介質(zhì)，從微觀上看鋁和銅的原子在某種程度上相互連接，從