鳍片
我们谈到CPU热量的发散主要是通过传导方式,这就涉及到和处理器直接接触的介质——风扇鳍片。一款高效的散热器应包含一套尽可能大的散热片,并配备一个强力风扇。有些散热片还采会用特别制作的折叠式鳍片设计。折叠式的鳍片设计,厚度一般都很薄。它们的热传导距离较常见的挤压型鳍片要短。再加上折叠式鳍片可以保证气流在风扇驱动下更顺畅地通过,因此折叠式设计可以提高风扇的散热效用。
在散热器自身的热传导中还有一个相当重要的因素:气体流动。上图中,条型鳍片和圆柱型鳍片的差距就在于气体流动的过程不同。在圆柱型鳍片周围,因为气流遇到的阻力较小,更容易流动,能更多地带走圆柱鳍片周围的热量,增强了对流效果。因此在散热鳍片面积相同的情况下,圆柱型会比条型有更好的散热效果。
气流在鳍片周围充分游走对于散热有很大的影响。流动越容易的鳍片设计越能得到较高的热发散能力。这意味着鳍片的排列方式和外型对散热有着相当大的关系。
选材
不要以为只有主板和显卡等“高精密”设备对选材很讲究。散热器产品虽然谈不上电容和电阻等零部件,但散热片选用何种材料制作同样是影响散热效果的重要因素之一。
市售的大多数CPU风扇,搭配的散热片一般采用铝合金制作(纯铝由于硬度不足,很难进行切削加工)。这是因为铝合金的加工性好、表面处理容易(例如进行研磨和切削等工艺加工),而且成本低廉。
铜或铜合金是另一套可以考虑的散热片选材方案。但这里有几点问题要澄清:首先,铜的热传导系数几乎是铝的两倍,却这并不意味着铜散热器的散热效果就可以达到铝合金散热器的两倍。因为散热片的工作效果并不仅由材料的导热特性决定。其次,更好的散热性能并不能弥补铜的市场缺点——价格较高。再次,更高的材质密度也使得铜散热器的质量比较重,这也意味着更大的静态重力。最后,铜还有不尽人意的硬度以及其它一些“先天缺陷”。
尽管这样,还是有部分散热片采用了铜和铝结合的方式来制造。这些散热片的底座大多采用铜,而金属鳍片则采用铝制。铜的热传导系数比铝高,能更均匀地将热量传送到铝制鳍片的外围。铝本身的热传导系数不是无限大,鳍片内部有温度梯度的存在:鳍片组靠近中心的温度较高,四周靠近外围的温度较低。
这里值得注意的是,热传导的一个重要因素就是温度梯度的存在。散热鳍片中心部分有较高的热传导效果,四周的效果则要差些,这样就导致整体热传导效果的降低。使用铜制芯片解决温度梯度不均匀问题,虽然热阻有所增加,但却大大提高了鳍片整体的温度均匀分布,可以说仍然是得大于失。在下表中我们给出一些常见金属材质的热传导系数。
由于散热器的材质对整体散热效果影响非常大,所以各家产品选用何种材料也成为本专题关注的焦点之一。
几何特性与热阻
散热器底座的造型对热传导的影响有多大?这个问题听起来颇为匪夷所思。其实,现阶段散热器鳍片使用的金属材质(如铜和铝)的热传导系数较高,再加上底座的厚度不是很大,所以对散热效果的影响在一般情况下并不明显。
您可以想象这样一个实验:用一厚度为10cm的铝块,将上层切削成散热鳍片,底面进行打磨后固定在CPU核心上。这样一开机,蚂蚁几乎可以保证不需要太久就会发生当机。
为什么? 因为铝块的热传导系数虽然颇高,但内部还是有温度梯度存在。增加铝块的厚度可以使底座容纳更多的热量,但上层散热鳍片不能得到较高的温度梯度,使热发散能力严重衰退。而底部芯片却一直在传送热量给铝块,导致两端温差越来越大,终于超过了芯片可接受的温度极限而导致当机。
我们的结论是:对于全铝散热片而言,散热器底座并非越厚越好。但适当在CPU核心处加厚散热片,可以提高散热片的整体热容量,加强散热效果。
说到这里,很多朋友一定会举一反三,从而了解散热器扣具的用意了。扣具不只是将鳍片固定在芯片上,它的作用更是要降低热阻。热阻与压力存在非线性的反比关系:压力越大热阻越小。当然,压力也不可以一味增加,我们必须把扣具的压力控制在一定范围内。否则象AMD Athlon XP这类核心暴露在外的CPU很可能因此受伤。
为了降低接触面的热阻,人们常在芯片与散热片之间涂抹硅脂来填补空隙。不过蚂蚁建议不要涂抹太多,因为这项工作只是有助于提高热传导效率,并不能直接发散热量。适当给CPU敷上散热硅脂有益,太多则过犹不及。
如果芯片和鳍片间是完美的平面,热阻可以说没有——当然这在实际生活中是不可能出现的状况。为了解决这个问题,有些朋友喜欢打磨CPU芯片或散热片来调整接触面的平整度。蚂蚁建议发烧友们对这种“改装”不要做得太过火。对于初级玩家更应在老手的指导下进行,不然很可能毁坏CPU。
风扇
风扇在CPU风冷散热装置中起主动散热的核心作用。风扇本身的效能不佳,制作工艺不精,会导致散热片局部过热,不停烤烧风扇本身的材质塑料,继而引起风扇变形,转速下降的恶性循环,更严重的时候,会发生风扇停转,马达电路短路,烧毁CPU甚至引起起火的事故。
对于风扇,大家一般都能从扇叶大小、形状,风扇面积、结构等方面获得一些直观的感受。其实,决定风扇散热性能的因素还有许多因素,近期引起大家广泛关注的是风扇的轴承传动方式。现在市场上使用的散热风扇主要是使用两种轴承传动方式:
→ 自润轴承(Sleeve Bearing):也被称作含油轴承。其工作原理主要是由于轴承中的转杆在润滑剂的作用下,在轴床中转动时,由于毛细作用,与周围只会有点接触,使得摩擦力减到了最小,保证了工作时的稳定性。自润轴承的问题在于它对润滑剂的依赖性极大,当润滑剂量不足或粘稠性不佳时,轴承很容易出现老化,致使风扇转速下降,或发出异常噪音,因此整体寿命不长。
→ 滚珠轴承(Ball Bearing):这是现在在CPU散热风扇中应用最广泛的轴承传动方式。它的结构也并不复杂,在两个硬质金属环中间,置有由轴笼固定住相对位置的一系列金属圆球,轴笼和金属圆球之间加有润滑剂。这样轴承在转动的时候,圆球与转动轨道之间的接触面极小,只要有少量的润滑物质,整个轴承的结构就能够保持较长时间的寿命,并保持良好的性能。滚珠轴承结构的问题,主要是工作噪音稍大,且使用者不能自行为轴承添加润滑剂,因此,在选择滚珠风扇时选择可靠的厂商非常重要。
相比之下,虽然自润轴承保养起来比较简单,但是如果想达到与滚珠轴承相同的转动性能,就需要比较复杂的内部结构设计,这无形中就提高了风扇制造的成本,不适合大规模生产。另外如果轴承出现问题的话,滚珠轴承往往能有比较明显的先期预兆,如转速下降、噪声等;而自润轴承的故障往往难以预料。因此,大家在市场上看到最多的还是使用滚珠轴承传动的风扇。
不过,现在越来越多的厂商使用了两种轴承混合的设计,以包容这两种形式的优点,这也许是以后风扇设计的一个发展方向。
工艺
技术的最终表达载体是产品,当原始选材确定之后,制作工艺就成为保证产品质量至关重要的因素
在解释散热器的工艺前,我们先简单重复一遍散热器的构成。散热器由顶部的风扇和下部的散热片组成。而散热片则包括底座和鳍片两部分。根据制作工艺的不同,底座和鳍片可以是一体的材质(如纯铜),也可以是由不同材质组成的合体(如底座采用铜,而鳍片采用铝)。
塞铜——散热片常见工艺:
→ 在对散热片的处理当中,塞铜工艺是最常见的一种铜铝结合工艺。这种工艺利用金属材料的热胀冷缩特点,先将铝散热片进行高温处理,然后将冷却后的铜芯(多为圆柱形)压塞进经过CNC(数控车床)铣好的孔中,最后再次进行整体的冷却处理。由于没有使用第三方介质,塞铜工艺可以大幅度降低接触面间的热阻,不但保证了铜铝结合的紧密程度,更充分利用了两种金属材料的散热特性。
→ 在经过塞铜工艺处理后,散热器底面往往还要经过“铣”和“磨”处理。铣工艺针对塞铜处理中的铜芯。铣过的铜芯底面,平整度远超磨制工艺产品。磨工艺则针对整个散热片底部进行磨平处理。
→ 您可能会问:如何区分铣工艺和磨工艺?其实很简单,铣工艺的产品在圆中心会有一个小点,而磨工艺产品会出现横纹。
铝挤压——散热片常见工艺:
→ 散热片的制造工艺有很多,效果也各有千秋。其中最常见的就是铝挤压工艺(Extruded)。铝挤压的技术相对简单,适合大批量制作散热器。
→ 进一步来考虑,如何辨别一款铝挤压散热片的优劣呢?这里就要引入一个新概念:Pin-Fin比。它是检验铝挤技术优劣的主要标准之一。Pin-Fin比越大意味着散热器的有效散热面积越大。
→ Pin是指散热片的鳍片(也称腮片);Fin是指相邻的两枚鳍片间的距离。Pin-Fin比是用Pin的高度(不含底座厚度)除以Fin。这样得到的数值越高,代表铝挤技术越先进。目前最高的比值是20。一般这个比值能达到15~17,散热片品质就很不错了。如果您拥有Pin-Fin比高达18的散热器,那么它一定是一款高档产品。
切割工艺——散热片常见工艺:
→ 切割工艺(Skiving)就是把一整块金属一次性切割。这样切割后的散热鳍片又薄又密,极大增加了散热面积。即使在减少电机风量的情况下,散热器仍然能达到很好的散热效果,进而大大减少风扇产生的噪音。但是切割工艺对技术要求比较高,加工困难。目前市场上采用这种技术的散热器还比较少。