散熱的原理與技術(shù)解析

散熱的原理與技術(shù)解析一般說來，依照從散熱器帶走熱量的方式，可以將散熱器分為主動式散熱和被動式散熱。所謂的被動式散熱，是指通過散熱片將熱源如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，但因為是自然散發(fā)熱量，效果當(dāng)然大打折扣，常常用在那些對空間沒有要求的設(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式散熱。對于個人使用的PC機來說，絕大多數(shù)采取主動式散熱方式，主動式散熱就是通過風(fēng)扇等散熱設(shè)備強迫性地將散熱片發(fā)出的熱量帶走，其特點是散熱效率高，而且設(shè)備體積小。散熱方式對主動式散熱，從散熱方式上細分，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)冷散熱是最常見的散熱方式，相比較而言，也是較廉價的方式。風(fēng)冷散熱從實質(zhì)上講就是使用風(fēng)扇帶走散熱器所吸收的熱量。具有價格相對較低，安裝方便等優(yōu)點。但對環(huán)境依賴比較高，例如氣溫升高以及超頻時其散熱性能就會大受影響。液冷液冷散熱是通過液體在泵的帶動下強制循環(huán)帶走散熱器的熱量，與風(fēng)冷相比，具有安靜、降溫穩(wěn)定、對環(huán)境依賴小等等優(yōu)點。液冷的價格相對較高，而且安裝也相對麻煩一些。同時安裝時盡量按照說明書指導(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)，通過在全封閉真空管內(nèi)的液體的蒸發(fā)與凝結(jié)來傳遞熱量，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、可遠距離傳熱、可控制溫度等一系列優(yōu)點，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。其導(dǎo)熱能力已遠遠超過任何已知金屬的導(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)體制冷片在通電時產(chǎn)生溫差來制冷，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。在每個半導(dǎo)體顆粒上都產(chǎn)生溫差，一個制冷片由幾十個這樣的顆粒串聯(lián)而成，從而在制冷片的兩個表面形成一個溫差。利用這種溫差現(xiàn)象，配合風(fēng)冷/水冷對高溫端進行降溫，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，冷面溫度可以達到零下10°C以下，但是成本太高，而且可能會因溫度過低導(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?。化學(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)，利用它們在融化的時候吸收大量的熱量來降低溫度。這方面以使用干冰和液氮較為常見。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)然由于價格昂貴和持續(xù)時間太短，這個方法多見于實驗室或極端的超頻愛好者。提高散熱片的熱傳導(dǎo)能力無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題，如對風(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)動將絕大部分熱量通過對流（包括強制對流和自然對流）的方式帶走；對液冷散熱同樣如此。在這個過程中，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。我們下面逐一對此進行探討。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，而非整個散熱器。尤其在探討風(fēng)冷散熱時這比較容易混淆，因為對風(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)過程的終點，通過巨大的散熱面積與空氣進行熱交換，最終將熱量散失到空氣中，這是兩個相互獨立的部分，當(dāng)然，如何恰當(dāng)?shù)貙⒍呓Y(jié)合起來便是廠商的功力所地了。CPU的Die通常不到2平方厘米，但功耗卻達到幾十、上百瓦，如果不能及時將熱量傳導(dǎo)出去，熱量一旦在Die中積聚，將會導(dǎo)致嚴重的后果。對散熱器來說，最重要的是其底座能夠在短時間內(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。對于金屬導(dǎo)熱材料而言，比熱和熱傳導(dǎo)系數(shù)是兩個重要的參數(shù)。熱傳導(dǎo)系數(shù)的定義為：每單位長度、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”代表長度單位米，而“K”為絕對溫度單位。該數(shù)值越大說明導(dǎo)熱性能越好。以下是幾種常見金屬的熱傳導(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，對風(fēng)冷散熱器來說，在考慮材質(zhì)的時候除了熱傳導(dǎo)系數(shù)外，還必須考慮散熱器的熱容量，綜合這兩項參數(shù)，鋁的優(yōu)越性就體現(xiàn)出來。不過，本文只討論熱傳導(dǎo)方面，對那些我們將在下一部分詳細討論。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CPU來說其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，但客觀說來，無論兩個接觸面有多么平滑，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)計優(yōu)異、抓緊力強大的扣具來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填補這些空隙，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，無論哪種導(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。拉絲時使用某種表面具有一定粗糙程度及硬度的工具，常見的如砂紙、銼等，對物體處理表面進行單向、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，磨平凸出物的同時也會在原本平整的表面上造成劃痕。故而應(yīng)采用由粗到細循序漸進的過程，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，切割出的底面的平整程度越高。盤銑工藝的制造成本較高，但相對拉絲只需要兩三道工序，比較省時，并且效果也比較理想。盤銑工藝特征：弧形的磨痕數(shù)控機床數(shù)控機床應(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單片機精確控制與散熱片間的相對距離。刀具接觸散熱片底面后，兩者水平方向相對運動，即可對傳統(tǒng)盤銑中刀具空隙留下的未處理部分進行切削，而達到完整的平面效果，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，還有其他對散熱器底處理的工藝，如拋光，不過，相對而言，拋光處理更多地是出于散熱器美觀方面的考慮，對散熱器底面平整度沒有太大的改善，且處理成本較高。正如我們在前面所說，散熱器底面無論怎么處理，這種機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)來降低熱阻，否則散熱器的傳導(dǎo)性能會大打折扣，甚至無法發(fā)揮作用。這便是導(dǎo)熱介質(zhì)的由來。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)的一個重要參數(shù)，溫度過高，導(dǎo)熱硅脂會因黏稠度降低而變成液態(tài)；溫度過低，它又會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。對于導(dǎo)熱硅脂的工作溫度，一般不用擔(dān)心，畢竟通過常規(guī)手段很難將cpu的溫度超出這個范圍，除非您打算用液氮制冷一一那個溫度下大部分導(dǎo)熱硅脂才會失去作用。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，但與空氣相比，仍高了許多。由此也可見，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法多么無恥。熱阻系數(shù)熱阻系數(shù)表示物體對熱量傳導(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，導(dǎo)熱路徑兩端的溫差。熱阻顯然是越低越好，因為相同的環(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)對于部分沒有金屬頂蓋保護的CPU而言，介電常數(shù)是個非常重要的參數(shù)，這關(guān)系到計算機內(nèi)部是否存在短路的問題。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)熱和保護核心的金屬頂蓋，因此不必擔(dān)心導(dǎo)熱硅脂溢出而帶來的短路問題，但在涂抹時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。一般來說，導(dǎo)熱硅脂的黏度在68左右。使用導(dǎo)熱硅脂的注意事項導(dǎo)熱硅脂涂抹時最重要的是均勻，能夠覆蓋CPU核心就可以，完全沒必要涂抹太多甚至厚厚一層，那樣反而會影響散熱器的性能，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時間后，會出現(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。但對一個完整的散熱器而言，這是遠遠不夠的，因為這樣只是將熱量轉(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，無論散熱器材質(zhì)的熱傳導(dǎo)系數(shù)多高，都無法將熱量從熱源中帶出了。要提高散熱效率，這時候需要考慮主要涉及兩個方面，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，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)冷通過強制對流的方式將熱量自散熱器帶走，而被動散熱則往往巨大的散熱面積與空氣進行熱交換，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)原理與實現(xiàn)策略，當(dāng)然其中的大部分的探討同樣也適用于被動散熱、水冷與熱管等散熱技術(shù)。至于對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，到時候再詳細探討與外界環(huán)境的不同熱交換方式的實現(xiàn)。散熱器材質(zhì)的比熱在本文的第一部分中，我們曾探討了散熱器材質(zhì)的傳導(dǎo)能力，但是，正如上面所言，對散熱器而言，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，不致隨工作時間的延長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，對比熱的定義為：單位質(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，水的比熱遠高于金屬，有更強的容熱能力，也正因為此，水冷往往有著更出色的散熱效果，當(dāng)然，這也與水冷系統(tǒng)強制循環(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的熱量散發(fā)到周邊環(huán)境中去，對風(fēng)冷散熱器而言就是要與周圍的空氣進行熱交換。這時，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有所限制，機箱內(nèi)的空間有限，過大會加大安裝的難度，而通過改變散熱器的形狀，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。、要實現(xiàn)這一點，一般通過用鰭片式設(shè)計輔以表面粗糙化或螺紋等辦法來增大表面積。當(dāng)熱量傳遞給空氣后，和散熱片接觸的空氣溫度會急速上升，這時候，熱空氣應(yīng)該盡可能和周圍的冷空氣通過對流等熱交換方式來將熱量帶走，對風(fēng)冷散熱器來說，最主要的手段便是提高空氣流動的速度，使用風(fēng)扇來實現(xiàn)強制對流。這點主要和風(fēng)扇的設(shè)計和風(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)，兩個側(cè)面進行探討，不過，在實際散熱器的設(shè)計中，對應(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)計中，出于降低成本的目的，更多的是將二者綜合起來考慮，通過使用熱傳導(dǎo)能力和比熱兩方面相對均衡的一種材質(zhì)達到相對尚可的效果。當(dāng)然，對高端散熱器而言，僅僅使用一種材質(zhì)則未必達到理想的性能指標(biāo)，則需考慮使用熱傳導(dǎo)能力強的材質(zhì)與比熱較大的材質(zhì)等至少兩種以上材質(zhì)結(jié)合。一般說來，普通風(fēng)冷散熱器自然要選擇金屬作為散熱器的材料。對所選用的材料，希望其同時具有高比熱和高熱傳導(dǎo)系數(shù)，鋁的這兩個參數(shù)都居于前列，是一個相當(dāng)不錯的選擇。由于鋁具有密度小，延展性好，易于加工等特點，當(dāng)然，價格遠比銅之類便宜，所以目前絕大多數(shù)散熱器都采用鋁作為主要材料。不過，純鋁硬度不足，切削性能差，所以在實際生產(chǎn)中，廠商門為了保證產(chǎn)品有適當(dāng)?shù)挠捕?，都采用鋁合金來制造實際產(chǎn)品（鋁約占總成分的98%），當(dāng)然摻雜了其他金屬會導(dǎo)致散熱性能有所降低，不過，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各有其優(yōu)缺點：銅的導(dǎo)熱性好，但價格較貴，加工難度較高，重量過大，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)點是價格低廉，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的散熱器，其制造工藝簡單，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。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)，而評價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。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。不過銅的質(zhì)地是個問題，很多標(biāo)榜“純銅散熱器”其實并非是真正的100%的銅。在銅的列表中，含銅量超過99%的被稱為無酸素銅，下一個檔次的銅為含銅量為85%以下的丹銅。目前市場上大多數(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，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，某些機械加工（如剖溝等）性能不如鋁；銅的熔點比鋁高很多，不利于擠壓成形（Extrusion）等等問題。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，無論純銅、純鋁、還是鋁合金散熱器，都有一個致命的缺陷：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，但由于無法很好地均衡熱傳導(dǎo)能力和熱容量能力兩個方面的要求，在散熱要求較高的場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)各自的缺點后，目前市場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，并提供較大的儲熱空間并快速釋放，這在各方面找到了的一個均衡點。熱量從CPU核心散發(fā)到散熱片表面，是一個熱傳導(dǎo)過程。對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)開來。散熱片選用較高熱傳導(dǎo)系數(shù)的材料對提高熱傳導(dǎo)效率很有幫助。通過熱傳導(dǎo)系統(tǒng)對照表可以看出，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，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）。在實際設(shè)計和制造中，廠商總是盡可能降低介面熱阻，揚長避短，往往這也體現(xiàn)了廠商的設(shè)計能力與制造工藝。常見的銅鋁結(jié)合工藝包括：扦焊扦焊是采用熔點比母材熔點低的金屬材料作為焊料，在低于母材熔點而高于焊料熔點的溫度下，利用液態(tài)焊料潤濕母材，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行熱的傳導(dǎo)，要求的不僅是機械強度，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，否則不斷不會提升散熱效能，反而會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，延長一部分本身設(shè)計成熟的純鋁散熱器的生命周期。經(jīng)過測試發(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)，同樣達到了預(yù)計的散熱效能提升幅度。這種方法較焊接簡單,而且品質(zhì)穩(wěn)定，制程簡單，投入設(shè)備成本較焊接低，不過只是作為改進，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。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。這種設(shè)計也是目前OEM采用較多的。比較少見的三角底座塞銅工藝在制造中一般通過如下方式實現(xiàn)：機械式壓合機械式壓合方式是將一塊直徑尺寸大于鋁孔徑的銅塊，通過機械的方式，將其壓合在一起，因為鋁有延展性，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，但有一個致命的缺點就是銅在被擠壓進入鋁孔的過程中，鋁孔內(nèi)表面容易被銅刮傷，嚴重影響熱的傳導(dǎo)。這要通過合理搭配過盈量以及優(yōu)化設(shè)計銅塊的形狀來避免此類問題的產(chǎn)生。熱脹冷縮結(jié)合在鋁的散熱片底部加工一個直徑W=D1的圓孔，另外做一個直徑w=D1+0.1MM的銅柱，利用金屬材料的熱脹冷縮特點，將鋁質(zhì)散熱片加熱至400°C，其受熱膨脹圓孔直徑擴張至D1+0.2MM以上。利用專門機器在高溫下將常溫（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，這些會對其散熱效果有一定的影響。在經(jīng)過塞銅工藝處理后，散熱器底面往往還要經(jīng)過“銑”和“磨”處理。銑工藝針對塞銅處理中的銅芯。磨工藝則針對整個散熱片底部進行磨平處理。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，達到中間無空隙，介面熱阻很小。鍛造工藝難度大，成本高，所以成品價格高昂，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)計的想象空間較大，但成本也相對較高。插齒（CrimpedFin）插齒工藝大膽改進傳統(tǒng)的銅鋁結(jié)合技術(shù)。先將銅板刨出細槽，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