风冷散热器的选配.docx

1、风冷散热器的选配风冷散热器的选配功率半导体元件在工作时，自身必然要产生热损耗。但若发热量太大，且又来不及向周围媒质 消散，元件就会因超过其正常工作的保证温度而失效。因此，选配合适的散热器，是元件可靠工作的重要条件之一。 1. 概念 (1) 元件工作结温Tj：即元件允许的最高工作温度极限。本参数由制造厂提供，或产品标准强制给出要求。(2) 元件的损耗功率P：元件在工作时自身产生的平均稳态功率消耗，定义为平均有效值输出电流与平均有效值电压降的乘积。(3) 耗散功率Q：特定散热结构的散热能力。(4) 热阻R：热量在媒质之间传递时，单位功耗所产生的温升。R = T / Q2. 散热器的选配 设环境温度

2、为Ta。散热器的配置目的，是必须保证它能将元件的热损耗有效地传导至周围环境，并使其热源即结点的温度不超过Tj。用公式表示为 P Q = ( Tj - Ta ) / R (当然，热量的消散除对流传导外，还可辐射。在后面讨论) 而热阻又主要由三部分组成： R = Rjc + Rcs + Rsa Rjc：结点至管壳的热阻； Rcs：管壳至散热器的热阻； Rsa：散热器至空气的热阻。其中，Rjc与元件的工艺水平和结构有很大关系，由制造商给出。 Rcs与管壳和散热器之间的填隙介质（通常为空气）、接触面的粗糙度、平面度以及安装的压力等密切相关。介质的导热性能越好，或者接触越紧密，则Rcs越小。 (参考值：

3、我厂凸台元件的风冷安装，一般可考虑Rcs0.1Rjc) Rsa是散热器选择的重要参数。它与材质、材料的形状和表面积、体积、以及空气流速等参量有关。 综合和，可得 Rsa ( Tj - Ta ) / P- Rjc - Rcs 上式即散热器选配的基本原则。 一般散热器厂商应提供特定散热器材料的形状参数和热阻特性曲线，据此设计人员可计算出所需散热器的表面积、长度、重量，并进一步求得散热器的热阻值Rsa。3. 注意事项 上面的理论分析是一个普适原则，在实际设计中应留出足够余量。因为提供数据的准确性、由元件到散热器的安装状况、散热器表面的空气对流状态、热量的非稳态分布等，都是非理想化的因素，应预考虑。

4、另外，散热器表面向空气的热辐射，也是一种热耗散方式。在自冷设计中广泛应用的阳极氧化发黑和打毛处理工艺，即是增加热辐射的有效办法。但该办法明显不适用要求强迫风冷的以对流传导为主要方式的设计，因为散热器表面越光亮则热阻越低，这是要特别提示设计人员的。风冷散热器相关技术浅析之散热片篇虽然风冷散热器中“风”起着至关重要的作用，但没有优秀的散热片作为基础，“风力”则无从发挥。可以说，散热片的结构设计、材料选择、制作工艺对风冷散热器的性能起着决定性的作用，也是判断风冷散热器性能时需要注意的第一要素。本篇，就介绍一下风冷散热器中这个最重要的组成部分散热片。作用：散热片担负着将发热物体产生的热量散失到周围空气

5、中的使命，是风冷散热器中的热量传导通道。其主要作用有三：1.吸热吸收体积、面积较小的发热物体的热量，令其不致因热量堆积而温度急剧升高，导致各种不希望看到的后果；2.导热将吸收的热量在内部传导到散热片的各个部分，充分利用较大的热容量与表面积；3.散热通过表面的各种热交换途径（主要是热对流）将热量散失到空气之中（可配合风扇进行强制对流）；此三种主要作用互相配合，形成一套完整的散热途径。其中任何一种作用无法发挥，或未完全发挥，都可能导致散热性能的大幅降低，甚至完全丧失。因此，评价一款散热片的性能，也主要以这三种作用的发挥情况为准。指标：要表现一款风冷散热片（即需要配合空气导流设备才能发挥效果的散热片

6、，与纯被动散热的空冷散热片存在一些区别，后文如不特别说明，简称为散热片）的性能，主要通过热阻、风阻两个数据，而关系到使用中的适应性与安全性，还需要注意它的尺寸规格与重量。热阻：热阻，英文名称为thermal resistance，即物体对热量传导的阻碍效果。热阻的概念与电阻非常类似，单位也与之相仿/W，即物体持续传热功率为1W时，导热路径两端的温差。以散热器而言，导热路径的两端分别是发热物体（如CPU等）与环境空气。散热器热阻（发热物体温度环境温度）导热功率。散热器的热阻显然是越低越好相同的环境温度与导热功率下，热阻越低，发热物体的温度就越低！必须注意：上述公式中为“导热功率”，而非“发热功率

7、”！因为无法保证发热物体所产生的热量全部通过散热器一条路径传导、散失，任何与发热物体接触的低温物体（包括空气）都可能成为其散热路径，甚至还可以通过热辐射的方式散失热量。所以，当环境或发热物体温度改变时，即使发热功率不变，由于通过其它途径散失的热量改变，散热器的导热功率也可能发生较大变化。如果以发热功率计算，就会出现散热器在不同环境温度下热阻值不同的现象。综上，散热器（不仅限于风冷散热器，还可包括被动空冷散热片、液冷、压缩机等）所标注的热阻值根据测试环境与方法的不同可能存在较大差异，而与用户实际使用中的效果也必然存在一定差异，不可一概而论，应根据具体情况分析。那么我们OCER.net的测试结果又

8、应如何判断呢？我们将在稍后的测试报告中详细说明。风阻：风冷散热器的散热片需要仰仗风扇的强制导流才可发挥完全的性能，实际通过的有效风量与散热效果关系密切，而散热片会对风量造成影响的指标就是“风阻”了。风阻，正如其名，是物体对流过气流的阻碍作用，但却不能如电阻、热阻般用具体数值来衡量。通常，以风量与进/出口压强差绘制出压强-流量曲线（P-Q曲线），这条曲线便是散热器对通过气流的阻碍效果相同压强差下，风阻越小，风量越大；相同风量下，风阻越大，压强差越大。那么风阻是否越小越好呢？如果能保证有效散热面积，当然！可惜，散热片的有效散热面积与风阻往往不能两全，在提高有效散热面积的同时，难免增大风阻，在散热片

9、结构设计过程中就需要进行权衡了。散热片设计一旦确定，风阻（P-Q曲线）也就基本确定下来，我们能够做的，只有为它选配合适的风扇，令其发挥出设计应有性能了。为散热片搭配合适的风扇，需结合散热片阻抗（风阻）曲线与风扇特性曲线进行分析，前文“风扇篇”中的相关部分已有较详细的解释，此处不再赘述。物理规格：要希望散热器正常的使用，合乎标准的物理规格是必须满足的先决条件。物理规格的要求主要包括尺寸规格与重量两方面。散热器的尺寸规格主要决定于散热片尺寸，风扇规格则取决于散热片设计，相对处于附属地位。Intel等“发热设备制造者”都会提出对自己产品搭配散热器的尺寸规格要求。例如：Intel建议的Socket-4

10、78散热器尺寸规格。AMD建议的Socket-A散热器尺寸规格。一般而言，散热器设计、制造者都会尽量满足此要求，用户在使用过程中无需为尺寸规格的“兼容”问题而担心。但随着计算机设备功率的迅速增长，以及用户对静音需求的提高，散热片面积越来越大，体积随之增大，各种别出心裁的特殊设计也层出不穷，高端散热器的尺寸规格早已不在Intel等“发热设备制造者”的掌控之内了。如果用户选择的散热器属于此类，那么就应该注意它与机箱空间、主板周围元件间的“兼容性”了。所幸，这类存在“兼容隐患”的散热器之制造厂家一般都会发布某种形式的兼容列表，只要用户适当关注，就不致陷入高价买回散热器而无法使用的窘境。Zalman

11、CNPS7000A即为此类散热器的典型代表。散热器的重量与尺寸规格类似，也关系到性能与适用型，同样也主要决定于散热片重量。“发热设备制造者”们也对散热器的重量提出了要求，例如：Intel Socket-478接口的CPU要求散热器重量不超过450g，而AMD Socket-A接口的CPU则要求散热器重量不超过300g。散热器的重量标准也只在其制订初期受到了“尊重”，当时多数产品能够切实的执行。目前，则只有OEM与低端产品尚符合此标准要求，而独立品牌高端散热器，尤其是高端CPU风冷散热器，为了取得更高的性能，基本“无视”此标准的存在。它们毫不理会脆弱的半导体芯片与电路板的感受，积极的采用导热能力

12、更强、密度更大的铜作为主体材料，放任体积的膨胀，体重的增加。因此，用户，尤其是玩家们如果选择了“壮硕”的高端风冷散热器，则需要做好发生芯片碎裂、电路板断折等惨剧的心理准备，应在使用时采取适当的加固措施，减小芯片与电路板的负担。Cooler Master的新品Hyper6，目前最重的CPU风冷散热器之一。上文已有所提及，散热片的物理规格与性能有着紧密的联系，但涉及多方面因素，我们将在后文各相关部分说明。材料：大致了解了散热片及风冷散热器的指标，在详细介绍散热片设计与制造工艺之前，不妨先对用于加工散热片的材料略加了解。目前加工散热片所采用的基本为金属材料，这主要出于三方面的考虑：1.导热性能好相对

13、其它固体材料，金属具有更好的热传导能力；2.易于加工延展性好，高温相对稳定，可采用各种加工工艺；3.易获取虽然金属也属不可再生资源，但供货量大，不需特殊工序，价格也相对低廉；依此确定了散热片所用材料类型，具体种类的确定同样需以此为标准。下表为散热片惯用材料与常见金属材料的热传导系数。上表中热传导系数的单位为W/mK，即截面积为1平方米的柱体沿轴向1米距离的温差为1开尔文（1K1）时的热传导功率。热传导系数自然是越高越好，但同时还需要兼顾到材料的机械性能与价格。热传导系数很高的金、银，由于质地柔软、密度过大、及价格过于昂贵而无法广泛采用；铁则由于热传导率过低，无法满足高热密度场合的性能需要，不适

14、合用于制作计算机空冷散热片。铜的热传导系数同样很高，可碍于硬度不足、密度较大、成本稍高、加工难度大等不利条件，在计算机相关散热片中使用较少，但近两年随着对散热设备性能要求的提高，越来越多的散热器产品部分甚至全部采用了铜质材料。铝作为地壳中含量最高的金属，因热传导系数较高、密度小、价格低而受到青睐；但由于纯铝硬度较小，在各种应用领域中通常会掺加各种配方材料制成铝合金，寄此获得许多纯铝所不具备的特性，而成为了散热片加工材料的理想选择。各种铝合金材料根据不同的需要，通过调整配方材料的成分与比例，可以获得各种不同的特性，适合于不同的成形、加工方式，应用于不同的领域。上表中列出的5种不同铝合金中：AA6

15、061与AA6063具有不错的热传导能力与加工性，适合于挤压成形工艺，在散热片加工中被广为采用。ADC12适合于压铸成形，但热传导系数较低，因此散热片加工中通常采用AA1070铝合金代替，可惜加工机械性能方面不及ADC12。AA1050则具有较好的延展性，适合于冲压工艺，多用于制造细薄的鳍片。散热片的制造材料是影响效能的重要因素，选择时必须加以注意！当前绝大多数的低端CPU散热器之散热片都是采用铝合金，原因自然是材料及制造成本低廉，性能难免会受到一定的限制；中高端散热器为了适应目前发热设备功率的不断提升，增强散热性能，则会在散热片中不同程度的采用铜作为吸热部件或散热鳍片。当然，采用具有较强导热

16、能力的材料只是制造高效能散热片的基础，散热片的材质并不能决定其整体性能，提高散热片性能的真正精髓还是在于产品设计！下一节我们将简要介绍散热片设计中的一些重要因素。设计：散热片的设计是散热片效能最重要的决定因素，也是集中体现各散热器厂家技术实力差距的地方。本节，我们将依照散热片的三大作用，介绍散热片设计中的值得注意的一些因素，也为各位读者选择散热器时提供些许帮助。吸热设计：散热片的吸热效果主要取决于散热片与发热物体接触部分的吸热底设计。性能优秀的散热片，其吸热底应满足四个要求：吸热快、储热多、热阻小、去热快。吸热快，即吸热底与发热设备间热阻小，可以迅速的吸收其产生的热量。为了达到这种效果，就要求

17、吸热底与发热设备结合尽量紧密，令金属材料与发热设备直接接触，最好能够不留任何空隙。储热多，即在去热不良的状态下，可以吸收较多的热量而自身温度升高较少。提出此要求的目的是为了应付发热设备功率突然提升，或风扇停转等散热器性能突然丧失的状况。众所周知，CPU、显示核心等高速半导体芯片在满负荷工作时所产生的热量较闲置状态下大幅增加；散热器失效时，发热设备所产生的热量无法及时散失，情况更是危险。此类状况中，如果散热片吸热底没有一定的储热能力作为热量的缓冲，散热片与发热设备本身的温度都会迅速升高，轻则由于温度的迅速变化加快设备老化，重则未能及时发动过温保护机制导致设备烧毁。因此，散热片的储热能力就是其抑制

18、发热设备温度激增的能力，对散热效果并没有直接的影响。热阻小，即传导相同功率热量时，吸热底与发热设备及鳍片两个介面间的温差小。散热片的整体热阻就是由与发热设备的接触面开始逐层累计而来，吸热底内部的热传导阻抗是其中不可忽视的一部分。由于计算机风冷散热器所针对的发热设备通常体积较小，为了将吸收的热量有效地传导到尽量多的鳍片上，因此还需要吸热底有较好的横向热传导能力。去热快，即能够将从发热设备吸收的热量迅速的传导到鳍片部分，进而散失。吸热底与鳍片部分间的结合情况，即结合面积与热传导的介面阻抗，对能否达成此要求起着决定性的作用。既然已经提出要求，在设计方面应该采取哪些措施来满足它们呢？1.为了提升吸热能

19、力，希望散热片与发热设备紧密结合，不留任何空隙，可惜这是无法实现的。吸热底与发热设备之间必然存在一定的空隙，如果空隙中是高热阻的空气，必然无法得到良好的导热效果，因此，应采用具有较低热阻及较佳适应性的材料填充其中的空隙，这便是导热膏的用武之地。但导热膏的热阻始终要高于加工散热片的金属材料，使用它只是权宜之计，并非真正的解决之道，要想根本上提高散热片吸热底的吸热能力，就必须提高其底面平整度。平整度是通过表面最大落差高度来衡量的，通常散热片的底部稍经处理即可达到0.1mm以下，采用铣床或多道拉丝处理可以达到0.03mm，而CNC铣床或研磨则可以达到更好的效果，我们将在后文进行具体介绍。总之，散热片

20、的吸热底越平整，越有利于热量吸收，但由于无法做到完美，涂抹导热膏成为了安装散热器的必须步骤。2.为了满足储热的要求，就需要利用各种物质的一项重要特性比热容。以散热片常用材质铜、铝而言，铜的比热容为385J/kg*K，铝的比热容（由于配方材料所占成分比例很少，铝合金的比热容与纯铝并无太大差距）则为903 J/kg*K，即令1kg的铜温度升高1K需要吸收385J的热量，而令1kg铝温度升高1K则需要吸收903J的热量。那么是否采用铝质吸热底的散热片可以获得更好的储热效果呢？并非如此！因为具体物体的储热能力还决定于其质量，具体到散热片的吸热底，相同体积下，就决定于材质密度铜的密度为8933 kg/m

21、3，铝的密度为2702 kg/m3。不妨依下述公式计算一下铜与铝的体积比热容：Cv x Cm铜的体积比热容8933 kg/m3 x 385J/kg*K3.44 x 106 J/ m3*K铝的体积比热容2702 kg/m3 x 903J/kg*K2.44 x 106 J/ m3*K结果很清楚了，相同体积的铜与铝材（包括各种铝合金），发生相同的温度变化时，铜可以比铝多吸收约40的热量，即可以更好的抑制发热设备温度的激增。这正是中高端散热器即便不采用全铜设计，也要采用铜铝结合的吸热底设计的原因。除了材质上选择具有更高“体积比热容”的材料外，还可以在吸热底的形状设计上进行发挥保持吸热底厚度不变，增大底

22、面积，或者保持底面积不变，增加吸热底的厚度，都 可以增大吸热底体积，进而提高热容量。3.要降低吸热底内部热阻，采用热传导系数更高的铜的确是比铝合金更好的选择，也正是目前许多中高端散热器所采用的方法。确定了吸热底的材质，还可以通过调整吸热底的形状设计改变其热阻。此时，就面临着吸热底纵向与横向热阻的平衡问题。根据热传导的基本常识截面积越大，热阻越小，厚度越大，热阻越大。具体到吸热底的形状设计面积越大，厚度越薄，纵向热阻越小；相反，厚度越厚，横向热阻越小，越鳍片的有效连接面积越大。纵向与横向热阻分别对吸热底的形状提出了互相矛盾的要求，这就需要设计者在其中作出权衡，选择合适的面积、厚度与形状，令纵向与

23、横向热阻都可达到要求，如果没能寻找到合适的平衡点，则可能出现一些对导热甚至散热片整体性能造成严重不利影响的情况：厚度大，面积小横向热阻小，可有效利用连接其上的鳍片，但纵向热阻大，增加了散热片的整体热阻，不利于整体性能提高。厚度小，面积大纵向热阻小，但横向导热截面（与底面垂直）狭小，横向热阻大，外围大量与底面连接的鳍片无法发挥作用，形同虚设，实际纵向导热面积并不大。上文只是针对传统的平板型吸热底+直立鳍片设计，目前可以说已经被设计人员完全“吃透”了，通常产品设计都采用了适当的面-高比。但随着性能需求的提高，设计人员开始跳出这种设计的限制，采用一些更符合热力学原理的吸热底形状设计，减小热阻，并针对

24、集中发热位置（例如CPU核心），采用大热容量的特别设计。例如一些铜铝结合散热片的铜柱+放射状鳍片，以及一些在原有平板型基础上进行改进的弧形或“屋檐”形吸热底等。4.为了满足去热快的要求，就需要吸热底与鳍片间的连接面积尽量大，热传导介面阻抗尽量小，同样要令吸热底与鳍片尽量紧密的结合，需要较好的介面平整度。吸热底与鳍片的结合方式与连接面积将在下文的导热设计中介绍；结合程度则基本上取决于散热片整体成形或吸热底与鳍片间的结合工艺，将在稍后的工艺部分中详细介绍。从吸热底的设计中，就可以看到整个散热片设计的诉求快进、快出、低阻抗，以及所面临的问题多种因素间矛盾的平衡。单就吸热底设计而言，吸热与去热的要求是

25、越快越好，局部并不存在与之矛盾的因素,只需尽力在材料与工艺方面进行改进即可；为了减小热阻，增大与鳍片间的有效连接面积，必须要面对厚度与面积间的矛盾；储热能力的要求看似只要增大体积，实际对导热能力同样存在影响，难免产生矛盾。不但形状设计，吸热底材料的选择同样需要顾虑到重量、尺寸等条件的限制。用一个大家更加熟悉的比方来解释吸热底的作用的话，它就类似于一个直流电路中的电感。电感（吸热底）只在通过电流（设备发热功率）发生变化时起到缓冲作用，在稳定的工作状态下仅相当于一个电导（热量的导体），起到导通的作用。导通作用的效果如何，就取决于导体的阻抗，即电阻（热阻）越小，相同电流（导热功率）下电压（温度）差越

26、小。为了提高电感（吸热底）的缓冲作用，就需要增加其电感值（热容量），而方法便是添加磁芯（嵌铜）或增加绕线圈数（厚度），但都难免增加重量；如果希望不增大体积而提高电感值（热容量），则线圈数增多、线径减小（厚度增加），电阻（热阻）增大。电感（热容量）与电阻（热阻）两者间存在着需要平衡的矛盾，想要突破，则必须越过体积的限制，或采取其他手段，例如换用电导率（热传导系数）更高的材质等。这样是否更容易理解一些了？其实这个电感的比方还可以推广到整个散热片的性能描述哦o导热设计：散热片的根本作用就是热量的传导途径，自然在每一个部分都会强调其导热能力。散热片的导热途径中，重要的环节有：发热设备-吸热底、吸热底内

27、部、吸热底-鳍片、鳍片内部。其中，前两者已在上文中说明。鳍片是散热片与周围环境（空气）进行热交换的主要场所，因此，要迅速的散失掉吸热底吸收来的热量，就应将其传导到鳍片的每个部分。该传导过程最重要的环节就是吸热底到鳍片的热量传导。上文已经提到，吸热底与鳍片间的导热能力，在设计上取决于结合方式与连接面积。两者间的结合方式主要分为“先天”与“后天”两种：“先天”方式即散热片为一体成形，吸热底与鳍片本就是一片金属，并不需经过后续处理，没有介面阻抗，且设计简单，两者间的热传导瓶颈仅有连接面积一项，主要受鳍片设计与工艺影响。“后天”方式即吸热底与鳍片分别成形后，采用一定工艺结合，结合面积可选范围大，可配合

28、的鳍片设计形式多样，还可结合不同材质，或采取“特殊手段”，但后续采用的结合工艺对介面阻抗起着决定作用。尽管可大致划分为两种结合方式，但具体工艺多种多样，且各具特色，难以总结出一概的异同之处，我们将在后文中结合具体工艺进行说明。抛开工艺的问题，吸热底与鳍片间的连接面积究竟应该多大呢？不同的散热片尺寸，显然无法提出准确的数值，只能通过连接面积占吸热底面积的比例来衡量。那么是否连接比例越大越好呢？未必！对于一体成形的散热片，当连接比例达到100时，不过是又增加了吸热底的厚度而已，仍然不能算作鳍片；而实际的连接比例，又要考虑到鳍片数量、面积、导风槽宽度等因素，不能一味的以大为好，必须在几种因素间寻得平

29、衡。对于后续结合的散热片，根据不同结合工艺会采用不同的连接比例，甚至的确有采用100连接比例的设计，我们将在后文的工艺部分结合不同情况具体分析。散热鳍片中的热量传导同样不容忽视，为了有效利用鳍片的散热面积，前提条件是将热量扩散到鳍片的每个部分。在不采用“特殊手段”的情况下，热量只有通过鳍片内部的通路，由与吸热底结合的部分传导到与空气接触的各个末端。这就要求鳍片内部具有一定的热传导能力，即所用材料的热传导系数较高，且具有一定的厚度。但鳍片厚度、鳍片表面积、空气流动空间三者又难以同步提高，同样存在需要平衡的矛盾，我们将在后文的散热设计部分详细说明。多次提到的“特殊手段”究竟又指什么呢？是一项近期被

30、广为采用的，刚刚由遥不可及转为平民用品的热门技术热管！关于热管的原理，本站早已进行过较为详细的介绍，笔者就不在这里赘述了。热管作为热的“超导体”，随着生产技术的成熟，小型热管迅速实用化，成为小空间内转移热量的最有效手段。散热片中利用热管的“超导”特性设计导热功率之内轴向温差极小，可随意分配吸热段、放热段的适应性，辅以其较同等效果金属更轻巧的外形与相对鳍片更显“宽广”的表面积，如果再加上内嵌于吸热底之中的全方位连接方式（具体工艺参见后文），几乎可以打破吸热底与鳍片连接面积的限制，将热量由吸热底内部，至少是更大表面积上迅速的传导到更大面积的鳍片上。近一段时间，热管在各种空冷散热器中受到了空前的推崇

31、，各家的扛鼎之作多数可见到它的身影。Tt的新一代领军人物Tower112采用热管进行吸热底到鳍片的热量传导具有一些传统结合方式无法比拟的优势：1.热阻小热管在设计功率以内，其热阻是同体积铜柱的几分之一、十几分之一，甚至几十分之一。通常全功率工作时，吸热段与放热段间的温差也只有2、3，因此才敢号称热的“超导体”。2.重量轻目前计算机散热所采用的热管通常为铜-水热管，吸液芯结构不外单层或多层网芯、金属粉末烧结与轴向槽道式三种，而小尺寸热管主要采用后两种。不论是何种内部结构，类真空的内部加上不足管径1/5厚度的铜质管壳，热管相比同体积的金属可大幅减小重量。3.适应性好小尺寸热管都具有不错的机械性能，只要不超过弯折半径的规定范围（根据吸液芯结构存在一定差别，通常要求弯折半径不小于三倍管径），可以进行各种角度的弯折，实现吸热底与鳍片间的灵活组合，可适应各种摆放方式。4.接触面积大热管的吸热段可以内嵌到吸热底内，管壳一周均与周围金属接触，实际连接面积可大于其底面积；与鳍片连接的放热段长度可以达到热管总长度的50以上，连接面积更可达到传统连接方式的数倍以上，且可多点结合，能够直接将热量扩