塔式风冷散热之——组成及效能相关的初步解析

今天要给大家看的是我自己做的一个散热器普及贴，当然，对于PCEVA里的各位来说几乎可以忽略不计了，权当我自己的一个整理贴吧~






首先，最最最基础的事情就是——大家都知道，CPU在运行的时候将产生热量，那么，这些热量的来源有哪些呢？

第一种:是电流通过连接cpu里面微原件的时候产生的热量，这种事焦耳热，跟电流的平方成正比
    第二种:是通过容性或者感性原件的时候产生的热量，这种热量比较少，
    第三种：是两导线之间漏电，即通过基片时候产生的热量，和电流的平方成正比
    第四种：就是电流通过pn结的时候释放的热量，这个热量占大多数，通常和频率成正比，和电流的平方成正比，等效一下就是跟电压的平方成正比，所以cpu超频的时候，频率上升，第四种消耗增加，而且频率加快，cpu总体等效电阻降低，电流增加，功耗也会增加，如果增大电压，除了这些之外漏电情况增加，发热量也会增加。

   

而CPU温度过高，会造成什么样的后果呢？

根据电子学理论，频率的提高(在稳定的前提下)对于半导体电子元件寿命不会有影响，但是频率变高后，却会产生更多的热量，电子元器件像CPU、内存等等，表面积都非常小，多产生的热量都聚集在这小小的地方，如散热不好将会产生极高的温度，从而引发“电子迁移”现象，而且现在CPU的主频越来越高，再加上还有OC行为的存在，为了以获取更高的性能而加电压超频，人为提高CPU运行频率，如此一来，产生的热量会更多。
   
    高热所导致的“电子迁移”现象会损坏半导体电子元器件。为了防止此现象的发生，我们应该把CPU的表面温度控制在摄氏50°C以下，这样，CPU的内部温度就可以维持在80°C以下，“电子迁移”现象就不会发生。“电子迁移”现象并非立刻就损坏芯片，它对芯片的损坏是一个缓慢的过程，或多或少会降低CPU的寿命   
    那么“电子迁移”到底是什么？“电子迁移”属于电子科学的领域，在上世纪60年代初期才被广泛了解，是指电子的流动所导致的金属原子的迁移现象。在电流强度很高的导体上，最典型的就是集成电路内部的电路，电子的流动带给上面的金属原子一个动量，使得金属原子离金属表面四处流动，结果就导致金属导线表面上形成坑洞或土丘，造成永久的损害，这是一个缓慢的过程，一旦发生，情况会越来越严重，到最后就会造成整个电路的短路，整个集成电路就报销了。
   
“电子迁移”现象受许多因素影响，其中一个是电流的强度，电流强度越大，“电子迁移”现象就越显著。纵观集成电路的发展史，我们可以发现，为了把集成电路（如CPU）的核心缩小，必须把线路做得更细更薄，那么，线路的电流强度就会变得很大，所以电子的流动所带给金属原子的动量就明显提高，金属原子就容易从表面离而四处流窜，形成坑洞或土丘。另外一个因素就是温度，高温有助于“电子迁移”的产生，我们已经知道超频会产生大量的热，使CPU温度升高，从而引发“电子迁移”现象，而为了极限超频，提高电压自然是家常便饭，如此一来，产生的热会更多。然而我们必须明白的是，并不是热量直接伤害CPU，而是热量所导致的“电子迁移”现象在损坏CPU内部的芯片。很多人说的CPU超到烧掉，其实严格来说，应该是高温所导致的“电子迁移”现象所引发的结果。为了防止“电子迁移”现象的发生，这就是为什么我们要把CPU的表面温度维持在50°C（核心温度比表面温度要高的多）以下的原因所在。在极限超频中，甚至用到 “大钢炮”+液氮LN2 来镇压CPU所产生的巨大热量，以获得更高的CPU频率（当然，纯粹是一项兴趣爱好）。

   


总而言之，言而总之，为了控制CPU的温度，CPU散热的存在就是自然而然的事情了。

然而，CPU的散热方案有许许多多，包括风冷、水冷、风冷+热管、化学（包括各种能够迅速吸收热量的化学物质）。

由于个人能力见识，这个帖子主要讲解风冷中的塔式侧吹热管散热，冰阵600为例。



▲冰阵600上机整体图



以上展示的就是塔式热管风冷，本文的讲解将以此为例


▼热传递及相关  实物图




▼热传递及相关  示例图




具体的流程如上图所示，不再附文字解释。下面着重介绍部分：





1.硅脂





    从理论上讲，散热器底座是能和CPU紧密接触的，但无论两个接触面有多么平滑，从微观来说，它们之间还是有空隙存在的，即存在空气。而空气的导热性能很差，不利于快速传递CPU产生的巨大热量，这就需要用导热性能更好而且能变形的硅脂来代替空气，使微小的空隙完全由硅脂填充以保持接触热阻最小。
    当然，硅脂的导热性能也分好坏，而硅脂的涂抹方式也将影响最终的散热效果，小至1-3摄氏度，大至10摄氏度以上！相关帖子  http://bbs.pceva.com.cn/thread-15643-1-1.html


由于这是个普及贴，在此不予详细介绍。

结论：硅脂是为了填充CPU与底座间间隙，代替空气传递热量。CPU的种类、涂抹方式将影响散热效果。

2.散热器底座

①材质
　　对散热器来说，最重要的是其底座能够在短时间内能尽可能多的吸收CPU释放的热量，即瞬间吸热能力，这只有具备高热传导系数的金属才能胜任。对于金属导热材料而言，比热和热传导系数是两个重要的参数。

导热系数的单位为W/m·K（或W/m·℃），表示截面积为1平方米的柱体沿轴向1米距离的温差为1开尔文（K=℃+273.15）时的热传导功率。数值越大，表明该材料的热传递速度越快，导热性能越好。

由上图可知，铜和铝的导热系数较大。那么是不是就选最大的铜呢？这可未必。由于铜密度大，工艺复杂，价格较贵等，直接提高了散热器的成本，因此与散热器的定位相关较大。 同时，铜的比热要小于铝，即温度升高1摄氏度所需的热量较铝要少，不利于温度的控制。应运而生的

②处理方式
    提高散热器底座的热传递速率，选用具有较高热传导系数的材质是一方面，同时也要解决好CPU与散热器底座的结合的紧密程度问题。根据热传导的定律，在材质固定的前提下，传导能力与接触面积成正比，与接触距离成反比。接触面积越大，就能使热量越快地散发出去，但对CPU来说其顶盖是固定的，所以结合距离就显得至关重要。
    常见的底面处理工艺有：拉丝（研磨）、盘铣（切削）、数控机床。
1.拉丝（研磨）

拉丝工艺也是使用最多的底面处理工艺。拉丝时使用某种表面具有一定粗糙程度及硬度的工具，常见的如砂纸、锉等，对物体处理表面进行单向、反复或旋转的摩擦，借助工具粗糙表面摩擦时的剪削效果去除处理表面的凸出物；当然，磨平凸出物的同时也会在原本平整的表面上造成划痕。故而应采用由粗到细循序渐进的过程，逐渐减小处理表面的粗糙程度。

2.盘铣（切削、铣底）

盘铣工艺是指将散热器底面固定之后通过高速旋转的刀具切割散热器表面，刀具始终在同一平面内旋转，因此切割出来的底面非常平整。与拉丝工艺相同，盘铣工艺使用的刀具越精细，切割出的底面的平整程度越高。盘铣工艺的制造成本较高，但相对拉丝只需要两三道工序，比较省时，并且效果也比较理想。

3.数控机床


数控机床应用于散热片的底面平整处理主要采用的工艺仍然是铣。但与传统盘铣不同，数控铣床的刀具可以通过单片机精确控制与散热片间的相对距离。刀具接触散热片底面后，两者水平方向相对运动，即可对传统盘铣中刀具空隙留下的未处理部分进行切削，而达到完整的平面效果，不许任何后续处理即可获得镜面一般的效果，平整度可小于0.001mm。


其中，底座的处理方式中有种名为“抛光”的方式


如上图所示，利用柔性抛光工具和磨料颗粒或其他抛光介质对物体表面进行修饰加工，使其呈现如镜子般的反射效果，即为抛光。但是，抛光并不能促使CPU与底座距离的减少，对散热效能而言，起到的作用微乎其微，纯粹的表面功夫，服务于人类审美而诞生的产物。所以，什么“镜面效果，零距离接触CPU处理器”之类的广告都是纸老虎。

③结合方式

1.传统

▲传统底座

可以发现，在上图的传统底座中，热管与CPU的接触中间，还有一层金属片

2.热管直触

▲热管直触

将金属片去除，热管直接与CPU顶盖接触

理论上来说，以散热效果较好的热管代替金属片直接与热源CPU接触，散热效能将得到提高。但根据现有的经验，热管直触在增强热传递效果的同时，失去了金属片所有的储热、缓冲等优势，两者孰优孰劣不可一概而论。

3.热管


▲热管内部


在讲到散热底座材质中，我们说过，铜的热传递系数最大，但要注意，那只是在金属当中而言。那么，是不是没有热传递比铜快的材质了呢？答案显然——不是。热管就是一种热传递效率要远远大于铜的材质，理论上有纯铜数十倍的速度。要注意的是，热管并非最出色的散热材质，只因它比铜铝金属能够更有效地传导热量，其导热能力超过任何已知金属的导热能力，并且生产成本越来越低廉，因此得以广泛应用于CPU散热器制造中。
    鉴于热管的构造、原理等所涉及的专业知识较为深入，在此不予介绍。我们只要知道，热管的热传递效率十分迅速，超过任何已知金属的导热能力，并且了解一下影响热管热传递效率，从而影响散热器整体散热效能的因素有哪些。

1.直径


▲6mm



▲8mm

    直径越大，散热效能越好？ 这个道理貌似很浅显，但却是正确的。

2.形状

热管的形状虽五花八门，但有个根本的限制性因素——热管的弯折将降低散热效果。



▲热管弯折特写

因此，在热管直径一定的前提下，如何设计热管的形状成为增强散热效能的影响因素之一。
3.数量
    由2可知，热管自然是有效数量越多，其散热效能越高。但根据现状，CPU满载功耗大多为数百瓦，6热管足以满足大多数的CPU散热要求。当然，不排除以后热管数量改变的可能。

4.排列方式









各种各样的热管排列

4.鳍片：

1.材质、数量、厚度、间距——面积
    由散热底座的材质解析，鳍片的取材也应于铜、铝（铝合金）其中，同时受到散热器的重量及美观，成本与市场定位等因素影响。总的来说，高端散热器多采用铜作为鳍片，加以镀镍等方式防止铜氧化；抑或间杂铜与铝合金，通过巧妙的控制其组合数量、分布间距等措施使成本与性能达到较为理想的共存。关于鳍片数量与散热性能，这里要略提的是，鳍片的数量并非与性能成绝对的正比。每片鳍片的效能不可能完全相同，能传递散发的热量也不尽相同，自然存在一些无效的散热鳍片。同时，鳍片间距越小，由于空间有限，热量积聚，需要的空气对流也就越强，即需要较大的风压才能够吹透。    最后，散热器鳍片的作用毋庸置疑，是将热管传递而来的热量与空气进行热交换，使之得以迅速散发。在材质不变、空气对流条件一定的情况下，鳍片的有效面积越大，其散发热量的速度也就越为可观。

2.与热管的结合方式

▼ 穿/扣  Fin  ：指鳍片与热管直接接触，热管穿插于鳍片间，鳍片将热管包裹或锁扣住的结合方式。



▼焊接 ： 指用焊料将热管与鳍片进行焊接，回流焊是其中一种。
  

对于这两种结合方式，没有绝对的优劣高低。但相对来说，制作优秀的穿Fin散热器，其工艺要求很高，加上市面穿Fin散热器的效果参差不齐，一般情况下说来，焊接的效果会比穿Fin好。

3.设计样式

    鳍片样式的设计就看各商家的实力如何了，鉴于其中涉及过深，只能说是“八仙过海，各显神通”



每种设计都有其可取及可贬之处，不可一而道之。

5.空气：


    空气的干湿度、温度，直接影响散热器能将CPU温度控制在多少的范围内。室温越高、越干燥，散热器的散热速率越低（鳍片与空气的温差减小，热传递速率减慢）。机箱中良好风道的建立有助于将散热器周围的热量带走，塑造一个良好的工作环境。  最后要说的是，若空气中悬浮物如粉尘、碎屑、杂物等垃圾过多，堆积于散热鳍片及风扇上时，将慢慢影响散热器的效能，甚至最终因CPU温度过高而引起蓝屏、死机。




本文至此完结，感谢凄寒版主的指导和帮助！  如有错误，虚心接受指正！

沙发。

作者高人也。难得的好文章，告诉我们透过现象看本质，不要被表面所迷惑。

这么好的文章现在才发现啊~不错不错

文章确实不错 值得挖出来

这坟挖的好，不过有些细节地方还要整理下，重工动手吧。

没说黑化的好处啊

没说黑化的好处啊
535e2 发表于 2011-4-26 12:03

  镀镍防氧化。。。

哇塞！这都被雪藏了？

哇塞！这都被雪藏了？
karl.12 发表于 2011-4-26 13:43

       隐而不露     。。。

黑化的好处就是能涨价，看上去很美～别人买了我就说好，我自己打死不买～

这个确实好文章。。。

不错~
收藏了

总结的很好。

银色的不也是镀镍的吗，跟黑色的有什么区别

谢谢提供，学习了

新人拜读

学习了!

好文章 说的很好 很详细

还有个缺点，不能辅助供电部分、北桥、内存散热。下压式那种可以吹到。