散热的原理与技术解析.docx
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散热的原理与技术解析
散热的原理与技术解析
随着PC计算能力的增强，功耗与散热问题日益成为不容回避的问题。
一般说来，PC内的热源大户包括CPU、主板（南桥、北桥及VRM部分）、显卡以及其他部件如硬件、光驱等，它们工作时消耗的电能会有相当一部分转化为热量。
我们都知道，电子器件的工作温度直接决定其使用寿命和稳定性。
要让PC各部件的工作温度保持在合理的范围内，除了保证PC工作环境的温度在合理范围内之外，还必须要对其进行散热处理。
尤其对CPU而言，如果用户进行了超频，要保证其稳定地工作更必须有效地散热。
热传递的原理与基本方式
虽然我们常将热称为热能，但热从严格意义上来说并不能算是一种能量，而只是一种传递能量的方式。
从微观来看，区域内分子受到外界能量冲击后，由能量高的区域分子传递至能量低的区域分子，因此在物理界普遍认为能量的传递就是热。
当然热最重要的过程或者形式就是热的传递了。
学过中学物理的朋友都知道，热传递主要有三种方式：
传导:
物质本身或当物质与物质接触时，能量的传递就被称为热传导，这是最普遍的一种热传递方式，由能量较低的粒子和能量较高的粒子直接接触碰撞来传递能量。
相对而言，热传导方式局限于固体和液体，因为气体的分子构成并不是很紧密，它们之间能量的传递被称为热扩散。
热传导的基本公式为“Q=K×A×ΔT/ΔL”。
其中Q代表为热量，也就是热传导所产生或传导的热量；K为材料的热传导系数，热传导系数类似比热，但是又与比热有一些差别，热传导系数与比热成反比，热传导系数越高，其比热的数值也就越低。
举例说明，纯铜的热传导系数为396.4，而其比热则为0.39；公式中A代表传热的面积（或是两物体的接触面积）、ΔT代表两端的温度差；ΔL则是两端的距离。
因此，从公式我们就可以发现，热量传递的大小同热传导系数、热传热面积成正比，同距离成反比。
热传递系数越高、热传递面积越大，传输的距离越短，那么热传导的能量就越高，也就越容易带走热量。
对流:
对流指的是流体（气体或液体）与固体表面接触，造成流体从固体表面将热带走的热传递方式。
具体应用到实际来看，热对流又有两种不同的情况，即：
自然对流和强制对流。
自然对流指的是流体运动，成因是温度差，温度高的流体密度较低，因此质量轻，相对就会向上运动。
相反地，温度低的流体，密度高，因此向下运动，这种热传递是因为流体受热之后，或者说存在温度差之后，产生了热传递的动力；强制对流则是流体受外在的强制驱动（如风扇带动的空气流动）,驱动力向什么地方，流体就向什么地方运动，因此这种热对流更有效率和可指向性。
热对流的公式为“Q=H×A×ΔT”。
公式中Q依旧代表热量，也就是热对流所带走的热量；H为热对流系数值，A则代表热对流的有效接触面积；ΔT代表固体表面与区域流体之间的温度差。
因此热对流传递中，热量传递的数量同热对流系数、有效接触面积和温度差成正比关系；热对流系数越高、有效接触面积越大、温度差越高，所能带走的热量也就越多。
辐射:
热辐射是一种可以在没有任何介质的情况下，不需要接触，就能够发生热交换的传递方式，也就是说，热辐射其实就是以波的形式达到热交换的目的。
既然热辐射是通过波来进行传递的，那么势必就会有波长、有频率。
不通过介质传递就需要的物体的热吸收率来决定传递的效率了，这里就存在一个热辐射系数，其值介于0～1之间，是属于物体的表面特性，而刚体的热传导系数则是物体的材料特性。
一般的热辐射的热传导公式为“Q=E×S×F×Δ（Ta－Tb）”。
公式中Q代表热辐射所交换的能力，E是物体表面的热辐射系数。
在实际中，当物质为金属且表面光洁的情况下，热辐射系数比较小，而把金属表面进行处理后（比如着色）其表面热辐射系数值就会提升。
塑料或非金属类的热辐射系数值大部分都比较高。
S是物体的表面积，F则是辐射热交换的角度和表面的函数关系，但这里这个函数比较难以解释。
Δ（Ta－Tb）则是表面a的温度同表面b之间的温度差。
因此热辐射系数、物体表面积的大小以及温度差之间都存在正比关系。
任何散热器也都会同时使用以上三种热传递方式，只是侧重有所不同。
以CPU散热为例，热由CPU工作不断地散发出来，通过与其核心紧密接触的散热片底座以传导的方式传递到散热片，然后，到达散热片的热量，再通过其他方式如风扇吹动将热量送走。
整个散热过程包括4个环节：
第一是CPU，是热源产生者；第二是散热片，是热的传导体；第三是风扇，是增加热传导和指向热传导的媒介；第四就是空气，这是热交换的最终流向。
一般说来，依照从散热器带走热量的方式，可以将散热器分为主动式散热和被动式散热。
所谓的被动式散热，是指通过散热片将热源如CPU产生的热量自然散发到空气中，其散热的效果与散热片大小成正比，但因为是自然散发热量，效果当然大打折扣，常常用在那些对空间没有要求的设备中，或者用于为发热量不大的部件散热，如部分普及型主板在北桥上也采取被动式散热。
对于个人使用的PC机来说，绝大多数采取主动式散热方式，主动式散热就是通过风扇等散热设备强迫性地将散热片发出的热量带走，其特点是散热效率高，而且设备体积小。
散热方式
对主动式散热，从散热方式上细分，可以分为风冷散热、液冷散热、热管散热、半导体制冷、化学制冷等等。
风冷
风冷散热是最常见的散热方式，相比较而言，也是较廉价的方式。
风冷散热从实质上讲就是使用风扇带走散热器所吸收的热量。
具有价格相对较低，安装方便等优点。
但对环境依赖比较高，例如气温升高以及超频时其散热性能就会大受影响。
液冷
液冷散热是通过液体在泵的带动下强制循环带走散热器的热量，与风冷相比，具有安静、降温稳定、对环境依赖小等等优点。
液冷的价格相对较高，而且安装也相对麻烦一些。
同时安装时尽量按照说明书指导的方法安装才能获得最佳的散热效果。
出于成本及易用性的考虑，液冷散热通常采用水做为导热液体，因此液冷散热器也常常被称为水冷散热器。
热管
热管属于一种传热元件，它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，通过在全封闭真空管内的液体的蒸发与凝结来传递热量，具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、可控制温度等一系列优点，并且由热管组成的换热器具有传热效率高、结构紧凑、流体阻损小等优点。
其导热能力已远远超过任何已知金属的导热能力。
半导体制冷
半导体制冷就是利用一种特制的半导体制冷片在通电时产生温差来制冷，只要高温端的热量能有效的散发掉，则低温端就不断的被冷却。
在每个半导体颗粒上都产生温差，一个制冷片由几十个这样的颗粒串联而成，从而在制冷片的两个表面形成一个温差。
利用这种温差现象，配合风冷/水冷对高温端进行降温，能得到优秀的散热效果。
半导体制冷具有制冷温度低、可靠性高等优点，冷面温度可以达到零下10℃以下，但是成本太高，而且可能会因温度过低导致CPU结露造成短路，而且现在半导体制冷片的工艺也不成熟，不够实用。
化学制冷
所谓化学制冷，就是使用一些超低温化学物质，利用它们在融化的时候吸收大量的热量来降低温度。
这方面以使用干冰和液氮较为常见。
比如使用干冰可以将温度降低到零下20℃以下，还有一些更“变态”的玩家利用液氮将CPU温度降到零下100℃以下（理论上），当然由于价格昂贵和持续时间太短，这个方法多见于实验室或极端的超频爱好者。
提高散热片的热传导能力
无论采取哪种散热方式，都要首先解决如何高效地将热量从热源如CPU快速转移到散热本体上的问题，如对风冷散热而言，其需要将CPU产生的热量以热传导转移到散热片，然后由风扇高速转动将绝大部分热量通过对流（包括强制对流和自然对流）的方式带走；对液冷散热同样如此。
在这个过程中，辐射方式直接散发的热量是极少的，而起决定作用的则是第一步，提高热传导的效率，将热量带离热源。
要提高热传导的效率，根据“Q=K×A×ΔT/ΔL”的公式，热传导能力与散热片的热传导系数、接触面积和温差成正比，与结合距离成反比。
我们下面逐一对此进行探讨。
散热器材质
注：
在此部分我们所讨论是与散热器传导能力有关的部分，即一般意义上的散热器底座，而非整个散热器。
尤其在探讨风冷散热时这比较容易混淆，因为对风冷而言其底座与鳍片大多为一体，但这二者所承担的功能与技术实现是完全不同的：
散热片的底座是与CPU接触，其功能在于吸收热量并将其传导到具有高热容量导体即鳍片，而鳍片则是传导过程的终点，通过巨大的散热面积与空气进行热交换，最终将热量散失到空气中，这是两个相互独立的部分，当然，如何恰当地将二者结合起来便是厂商的功力所地了。
CPU的Die通常不到2平方厘米，但功耗却达到几十、上百瓦，如果不能及时将热量传导出去，热量一旦在Die中积聚，将会导致严重的后果。
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。
热传导系数的定义为：
每单位长度、每K，可以传送多少W的能量，单位为W/mK。
其中“W”指热功率单位，“m”代表长度单位米，而“K”为绝对温度单位。
该数值越大说明导热性能越好。
以下是几种常见金属的热传导系数表：
热传导系数（单位:
W/mK）
银
429
铜
401
金
317
铝
237
铁
80
铅
34.8
1070型铝合金
226
1050型铝合金
209
6063型铝合金
201
6061型铝合金
155
由此可以看出，银和铜是最好的导热材料，其次是金和铝。
但是金、银太过昂贵，所以，目前散热片主要由铝和铜制成。
但由于铜密度大，工艺复杂，价格较贵，所以现在通常的风扇多采用较轻的铝制成，当然，对风冷散热器来说，在考虑材质的时候除了热传导系数外，还必须考虑散热器的热容量，综合这两项参数，铝的优越性就体现出来。
不过，本文只讨论热传导方面，对那些我们将在下一部分详细讨论。
要提高散热器底座的热传导能力，选用具有较高的热传导系数的材质是一方面，但另一方面也要解决好热源如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Die是固定的，所以结合距离就更显重要。
尽管从理论上讲，散热片底座是能和CPU紧密接触的，但客观说来，无论两个接触面有多么平滑，它们之间还是有空隙的，即存在空气，而空气的导热性能很差，这就需要设计优异、抓紧力强大的扣具来将散热片紧密地扣在CPU上，另外，需要用一些导热性能更好而且能变形的东西代替空气来填补这些空隙，如导热硅脂或者散热胶带。
理想的情况就是扣具将散热片紧紧固定在CPU上，散热片和CPU的接触完全平行以保持接触面积最大，它们之间一些微小的空隙完全由硅脂填充以保持接触热阻最小。
但是，必须要明确一点，无论哪种导热硅脂或散热胶带，其作用只能是辅助性的，与铜质的散热底座材质相比，其热阻大了很多倍。
要实现散热器底座的热传导能力最大化，还要首先必须保证散热器底座的光滑与平整，这样才能真正减小散热器与CPU接触面之间的空隙。
散热器底面处理工艺
常用的底面处理工艺包括：
拉丝工艺（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。
拉丝工艺的特征:
一条条平行的磨痕
盘铣工艺（切削）
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。
盘铣工艺特征:
弧形的磨痕
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。
其他工艺
除上述几种外，还有其他对散热器底处理的工艺，如抛光，不过，相对而言，抛光处理更多地是出于散热器美观方面的考虑，对散热器底面平整度没有太大的改善，且处理成本较高。
正如我们在前面所说，散热器底面无论怎么处理，这种机械工艺不可能做出完全标准的平整面，在CPU与散热器之间存在的沟壑或空隙总是不可避免的。
存在于这些空隙中的空气对散热器的传导能力有着很大的影响，人所共知，空气的热阻值很高，因此必须用其他物质来降低热阻，否则散热器的传导性能会大打折扣，甚至无法发挥作用。
这便是导热介质的由来。
它的作用就是填充热源如CPU与散热器之间大大小小的空隙，增大发热源与散热片的接触面积。
导热硅脂的性能参数
由于导热硅脂属于一种化学物质，因此它也有反映自身工作特性的相关性能参数。
只要了解这些参数的含义，就可以判断一款导热硅脂产品的性能高低。
工作温度
工作温度是确保导热硅脂处于固态或液态的一个重要参数，温度过高，导热硅脂会因黏稠度降低而变成液态；温度过低，它又会因黏稠度增加变成固态，这两种情况都不利于散热。
导热硅脂的工作温度一般在-50℃～180℃。
对于导热硅脂的工作温度，一般不用担心，毕竟通过常规手段很难将CPU的温度超出这个范围，除非您打算用液氮制冷——那个温度下大部分导热硅脂才会失去作用。
热传导系数
与常用的散热器材质相比，导热硅脂的热传导系统要小很多，目前一般规范中，对导热硅脂的热传导系数要求为1.13W/mK，与铜的401W/mk相比，差距不可同日而语，但与空气相比，仍高了许多。
由此也可见，散热器底面是否平滑是多么重要，某些厂商宣称其底面不够平整的散热器只需靠导热硅脂填充而不影响其散热能力的说法多么无耻。
热阻系数
热阻系数表示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。
热阻显然是越低越好，因为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。
热阻的大小与导热硅脂所采用的材料有很大的关系。
介电常数
对于部分没有金属顶盖保护的CPU而言，介电常数是个非常重要的参数，这关系到计算机内部是否存在短路的问题。
普通导热硅脂所采用的都是绝缘性较好的材料，但是部分特殊硅脂（如含银硅脂等）则可能有一定的导电性。
当然，目前的CPU都加装了用于导热和保护核心的金属顶盖，因此不必担心导热硅脂溢出而带来的短路问题，但在涂抹时也必须注意不要将导热硅脂误涂到其他地方如主板上。
主流散热器所用导热硅脂的介电常数都大于5.1。
黏度
黏度即指导热硅脂的黏稠度。
一般来说，导热硅脂的黏度在68左右。
使用导热硅脂的注意事项
导热硅脂涂抹时最重要的是均匀，能够覆盖CPU核心就可以，完全没必要涂抹太多甚至厚厚一层，那样反而会影响散热器的性能，要清楚所谓的导热硅脂的热传导系数高只是相比于空气而言，与散热器材质如铜甚至铝相比，要低得多。
此外，大多数普通导热硅脂在使用一年或更长时间后，会出现“干化”或“硬化”现象，大大影响散热效果。
因此，要保证系统长期稳定地工作，定期清理并重新涂抹硅脂也是必要的。
我们主要探讨了如何快速将热量带离热源，主要涉及热传递三种基本方式中的热传导方面。
但对一个完整的散热器而言，这是远远不够的，因为这样只是将热量转移到散热本体上，如果不高效地将这些热量与外界环境热交换，散发到外界环境中去，则散热将成为一句空话：
随着热量在散热本体上的积存，其散热能力，特别是热源与散热器底座的传导能力，将急速下降，试想一下极端的情况，一旦散热本体的温度与热源的温度相当时，无论散热器材质的热传导系数多高，都无法将热量从热源中带出了。
要提高散热效率，这时候需要考虑主要涉及两个方面，1，在从热源带走同样热量的前提下，如何尽量减小散热器自身温度的上升幅度，比如说同样的热量，使得散热器A自身的温度上升20度，而散热器B则可以只上升5度，这样两款散热器的效能优劣是显而易见的。
而从热传导的基本公式为“Q=K×A×ΔT/ΔL”也可看出，只有散热器自身的温度上升速度慢下来，才能保持热源与散热器的温差，从而最终保证热传导的效率。
这方面主要牵涉到散热器材质的比热；2，如何加强散热器与外部环境的热交换能力，将热量驱离散热器，这方面的技术覆盖范围相当广，如风冷通过强制对流的方式将热量自散热器带走，而被动散热则往往巨大的散热面积与空气进行热交换，等等。
本文将主要以风冷散热器为例分析相应的技术原理与实现策略，当然其中的大部分的探讨同样也适用于被动散热、水冷与热管等散热技术。
至于对其他散热方式如水冷、热管等的的探讨将放到本文的下一部分，到时候再详细探讨与外界环境的不同热交换方式的实现。
散热器材质的比热
在本文的第一部分中，我们曾探讨了散热器材质的传导能力，但是，正如上面所言，对散热器而言，比热也是必须考虑的技术指标，高比热的材质，可以在一定程度上保证散热器不致因热源产生的热量不断传来，不致随工作时间的延长而迅速降低散热能力。
比热在一定程度上代表物体的容热能力。
在物理学中，对比热的定义为：
单位质量需要输入多少能量才能使温度上升一摄氏度，其单位为卡/（千克×°C）。
以下是几种常见物质的比热表：
散热器材质的比热[单位:
卡/（千克×°C）]
水
1000
铝
217
铁
113
铜
93
银
56
铅
31
我们看到，水的比热远高于金属，有更强的容热能力，也正因为此，水冷往往有着更出色的散热效果，当然，这也与水冷系统强制循环的效率有关，在此暂不赘述。
散热器与环境的热交换
当热量传到散热器的顶部后，就需要尽快地将传来的热量散发到周边环境中去，对风冷散热器而言就是要与周围的空气进行热交换。
这时，热量是在两种不同介质间传递，所依循的公式为Q=αXAXΔT，其中ΔT为两种介质间的温差，即散热器与周围环境空气的温度差；而α为流体的导热系数，在散热片材质和空气成分确定后，它就是一个固定值；其中最重要的A是散热片和空气的接触面积，在其他条件不变的前提下，如散热器的体积一般都会有所限制，机箱内的空间有限，过大会加大安装的难度，而通过改变散热器的形状，增大其与空气的接触面积，增加热交换面积，是提高散热效率的有效手段。
、要实现这一点，一般通过用鳍片式设计辅以表面粗糙化或螺纹等办法来增大表面积。
当热量传递给空气后，和散热片接触的空气温度会急速上升，这时候，热空气应该尽可能和周围的冷空气通过对流等热交换方式来将热量带走，对风冷散热器来说，最主要的手段便是提高空气流动的速度，使用风扇来实现强制对流。
这点主要和风扇的设计和风速有关，散热器风扇的效能（例如流量、风压）主要取决于风扇扇叶直径、轴向长度、风扇转速和扇叶形状。
风扇的流量大都采用CFM为单位（英制，立方英尺/分钟），一个CFM大约为0.028mm3/分钟的流量。
散热器材质的选择
需要指出的是，在本系列文章中，为说明方便，在散热器材质方面，我们分别从提高热量从热源转移到散热器的效率，即选择具有高传导能力的材质，和提高散热器的容热能力，即选择高比热的材质，两个侧面进行探讨，不过，在实际散热器的设计中，对应的二者之间的选择则不是分离的，尤其在中低端风冷散热器的设计中，出于降低成本的目的，更多的是将二者综合起来考虑，通过使用热传导能力和比热两方面相对均衡的一种材质达到相对尚可的效果。
当然，对高端散热器而言，仅仅使用一种材质则未必达到理想的性能指标，则需考虑使用热传导能力强的材质与比热较大的材质等至少两种以上材质结合。
一般说来，普通风冷散热器自然要选择金属作为散热器的材料。
对所选用的材料，希望其同时具有高比热和高热传导系数，铝的这两个参数都居于前列，是一个相当不错的选择。
由于铝具有密度小，延展性好，易于加工等特点，当然，价格远比铜之类便宜，所以目前绝大多数散热器都采用铝作为主要材料。
不过，纯铝硬度不足，切削性能差，所以在实际生产中，厂商门为了保证产品有适当的硬度，都采用铝合金来制造实际产品（铝约占总成分的98%），当然掺杂了其他金属会导致散热性能有所降低，不过，铝优良的导热能力在铝合金身上基本上得到保留。
相比较而言，铜和铝合金二者同时各有其优缺点：
铜的导热性好，但价格较贵，加工难度较高，重量过大，且铜制散热器热容量较小，而且容易氧化。
另一方面纯铝太软，不能直接使用，都是使用的铝合金才能提供足够的硬度，铝合金的优点是价格低廉，重量轻，但导热性比铜就要差很多。
纯铝散热器
纯铝散热器是早期最为常见的散热器，其制造工艺简单，成本低，到目前为止，纯铝散热器仍然占据着相当一部分市场。
为增加其鳍片的散热面积，纯铝散热器最常用的加工手段是铝挤压技术，而评价一款纯铝散热器的主要指标是散热器底座的厚度和Pin-Fin比。
Pin是指散热片的鳍片的高度，Fin是指相邻的两枚鳍片之间的距离。
Pin-Fin比是用Pin的高度（不含底座厚度）除以Fin，Pin-Fin比越大意味着散热器的有效散热面积越大，代表铝挤压技术越先进。
纯铜散热器
铜的热传导系数是铝的1.69倍，所以在其他条件相同的前提下，纯铜散热器能够更快地将热量从热源中带走。
不过铜的质地是个问题，很多标榜“纯铜散热器”其实并非是真正的100％的铜。
在铜的列表中，含铜量超过99％的被称为无酸素铜，下一个档次的铜为含铜量为85％以下的丹铜。
目前市场上大多数的纯铜散热器的含铜量都在介于两者之间。
而一些劣质纯铜散热器的含铜量甚至连85％都不到，虽然成本很低，但其热传导能力大大降低，影响了散热性。
此外，铜也有明显的缺点，成本高，加工难，散热器质量太大都阻碍了全铜散热片的应用。
红铜的硬度不如铝合金AL6063，某些机械加工（如剖沟等）性能不如铝；铜的熔点比铝高很多，不利于挤压成形（Extrusion）等等问题。
虽然，目前最常用的散热片材料是铜和铝合金，铝合金容易加工，成本低，是应用最多的材料，而铜较高的热传导系数，使得其瞬间吸热能力比铝合金好，但散热的速度就较铝合金要慢。
因此，无论纯铜、纯铝、还是铝合金散热器，都有一个致命的缺陷：
由于只使用一种材质，虽然基本的散热能力能够满足轻度散热的需要，但由于无法很好地均衡热传导能力和热容量能力两个方面的要求，在散热要求较高的场合便未免有些力不从心了。
铜铝结合技术
在考虑了铜和铝这两种材质各自的缺点后，目前市场部分高端散热器往往采用铜铝结合制造工艺，这些散热片通常都采用铜金属底座，而散热鳍片则采用
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