从散热器的设计到热管与水冷散热简析

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1、从散热器的设计到热管与水冷散热简析不过对于电脑的散热系统来说，气温的提高却是负担加重的开始。再过一段时间，散热的问题又会再次成为电脑玩家的热衷话题。在大家开始议论这种散热器的好坏之前，我想有必要把一些关于散热的问题先给大家介绍一下，同时澄清一些广泛流传的误解。基本概念经常看到有人说自己的CPU多少度多少度，然后问别人的CPU多少度，再进行比较。这样做其实是不正确的，因为CPU（或者其他任何设备）的温度都与环境温度有直接关系。如果环境温度不同，那对比CPU温度的绝对值没有任何意义。所以在研究换热问题时，主要是以“温差—换热两端的温度差”作为衡量指标

2、，温度值通常仅作为一个标量参数而已。另外一个重要的概念是“热阻”。热阻是导热介质通过一定功率的热流时，两端产生的温度差，因此它的单位是“度/瓦”。如果你把温差看作电压差，热流看作电流，那么热阻就与电阻的概念非常相似。在研究传热问题时，我们也制作热路图。在热路图中可以看到热阻的符号和电阻的符号是完全一样的。另外和电路中的“地”类似的，也有“热地”的概念，并且定义热地的温度是不会改变的。通常我们把环境温度就作为热地的温度。但是实际环境温度同样可能受到影响而发生变化，所以在确定具体哪个位置的温度作为环境温度时，必须非常注意。关于散热器的设计基本概念了解

3、之后，我们可以开始说有关散热设计的问题。在设计CPU散热器的时候，往往要根据厂家提供的各种设计规范和参考。其中影响散热器设计的最直接因素有三个：一是热功率和最高温度；二是CPU的封装形式和尺寸；三是主板及周边器件的相关设计。第一个因素对于散热器设计来说是硬性指标，如果再考虑CPU工作的环境温度要求，就可以明白这实际上就是规定了散热器的热阻的最大值。所以，专业的散热器设计是直接标注散热器热阻大小的。第二和第三个因素对散热器设计形式有较大影响，它将限制散热器设计的材质、外形、尺寸和重量等。比如由于Intel的CPU普遍采用了铜质的IHS（Integr

4、atedHeatSpreader—集成散热器）顶盖，它的CPU散热器设计相对比较灵活。IHS保护了CPU内核不受损伤，因此在设计散热器扣具时不必太担心散热器倾斜和扣具压力过大的问题。此外Intel规范中主板上的支架用于支撑散热器，可以放宽散热器重量的限制，扣具的可选形式也更多。但是IHS的负面作用恰好使它名不副实，因为IHS不仅没有起到帮助散热的作用，反而增加了额外的热阻。这点已经得到相应的批评，各位只要明白IHS仅仅是一个保护CPU核心的东西而已。AMD的AthlonXP没有IHS，热量可以释放的比较彻底。但是由于FCPGA封装的核心裸露，不得

5、不严格限制散热器的重量，并考虑扣具设计的合理性。重量过大的散热器可能在振动和冲击过程中磨损核心表面，甚至直接将CPU损坏。而扣具设计不合理会导致核心受力不均，可能在安装散热器的过程中将核心压碎，或者在使用中对核心某一侧产生严重磨损。典型合理的AMD扣具设计如上图所示。无论扣具处于什么角度，扣具对散热器的压力始终垂直于核心表面，从而避免散热器发生倾斜。由于封装形式和扣具的限制，AthlonXP在尺寸和质量上应避免过大过重，并且要非常注意控制振动问题（振动是CPU表面磨损的主要原因之一），因此主要通过改进散热器结构来提高散热效果。不过从Athlon6

6、4开始，AMD也在CPU上加上了保护性的铜盖。可见为了适应更大尺寸的散热器，厂家在散热效率方面不得不作出一些让步。当散热器的各种设计指标确定之后，摆在工程师面前的情况不容乐观。发热与速度总是一同提高的，在如今的主流CPU工作频率下（2.4GHz），典型发热功率都在50W左右，最大发热功率在为70W左右，Prescott则更为激进一些，接近100W。northwood和prescott允许的最高核心温度在75度附近，AthlonXP再高一点为85度。假设环境温度25度，则要求散热器热阻在1度/W左右，而且这还包括了CPU的封装热阻与各种接触热阻，实

7、际对散热器的要求更为苛刻。对于这样的指标，采用传统形式的铝制散热器已经很勉强，因此工程师在散热片和风扇两方面都做了相当大的改进。散热片在散热片方面，由于铝材质固有的导热系数限制，从形状上提高散热效果已经到了极致。所以目前主要是如何利用导热系数更高的铜来降低热阻。最好的方式当然是全铜散热片。一般可以采用切割鳍片或铸造成形的加工方法。这两种工艺效果虽好，但原材料和加工工艺的成本都非常高。另外两种全铜散热片的形式为焊接和插鳍工艺。焊接是将铜鳍片排列后焊在铜底上，焊料为锡合金；而插鳍工艺则是铜底上刨沟，然后嵌入较薄的铜鳍并压紧。在这两种间接的铜散热器中，

8、鳍片和底部的接合面是热阻最大的地方，成为传热的瓶颈。所以接合面的加工质量非常关键，具体的加工质量取决于各个厂家的技术实力，因此实际产品的