散热器原理

2018/7/26 散熱器陶成文整理 第 1 頁，共 46 頁散热器原理第 1 章： 散热原理功耗与热阻 第 1 页 第 2 章：散热原理 散热方式 第 3 页第 3 章：散热原理 散热器材质 第 7 页第 4 章：散热原理 铜铝结合技术 第 9 页第 5 章：散热原理 热管技术 第 15 页第 6 章： 散热原理加工成型技术 第 18 页第 7 章： 散热原理 底面处理工艺 第 26 页第 8 章： 散热原理 风扇基本原理 第 29 页第 9 章： 散热原理 轴承和叶片 第 34 页第 10 章：散热原理 接口与扣具 第 41 页散热原理功耗与热阻随着处理器发热量的不断提高，很多有助于散热的新兴技术也飞速发展。如果要深入了解一款散热器的性能必须了解其原理。功耗功耗是 CPU 最为重要的参数之一。其主要包括 TDP 和处理器功耗TDP 是反应一颗处理器热量释放的指标。TDP 的英文全称是“Thermal Design Power”，中文直译是“热量设计功耗” 。TDP 功耗是处理器的基本物理指标。它的含义是当处理器达到负荷最大的时候，释放出的热量，单位未 W。单颗处理器的 TDP 值是固定的，而散热器必须保证在处理器 TDP 最大的时候，处理器的温度仍然在设计范围之内。 处理器的功耗：是处理器最基本的电气性能指标。根据电路的基本原理，功率（P）电流（ A）电压（V） 。所以，处理器的功耗（功率）等于流经处理器核心的电流值与该处理器上的核心电压值的乘积。处理器的峰值功耗：处理器的核心电压与核心电流时刻都处于变化之中，这样处理器的功耗也在变化之中。在散热措施正常的情况下（即处理器的温度始终处于设计范围之内） ，处理器负荷最高的时刻，其核心电压与核心电流都达到最高值，此时电压与电流的乘积便是处理器的峰值功耗。处理器的功耗与 TDP 两者的关系可以用下面公式概括：2018/7/26 散熱器陶成文整理 第 2 頁，共 46 頁处理器的功耗实际消耗功耗TDP实际消耗功耗是处理器各个功能单元正常工作消耗的电能，TDP 是电流热效应以及其他形式产生的热能，他们均以热的形式释放。从这个等式我们可以得出这样的结论：TDP 并不等于是处理器的功耗，TDP 要小于处理器的功耗。虽然都是处理器的基本物理指标，但处理器功耗与 TDP 对应的硬件完全不同：与处理器功耗直接相关的是主板，主板的处理器供电模块必须具备足够的电流输出能力才能保证处理器稳定工作；而 TDP 数值很大，单靠处理器自身是无法完全排除的，因此这部分热能需要借助主动散热器进行吸收，散热器若设计无法达到处理器的要求，那么硅晶体就会因温度过高而损毁。因此 TDP 也是对散热器的一个性能设计要求。人们也习惯用热阻抗值来对散热器的性能进行标识热阻抗值 RCJ热阻抗值是保证 CPU 在一定的环境温度下(TJ=A )执行规定的程序(如 P4 Maxpower 6.0 100%)，CPU 温度保持在规定的最高温度以下(TcB )。即每一款 CPU 对以上数据作出的散热要求也就是指明了它所要求的热阻抗值。CPU 散热器热阻抗值必须要在处理器热阻抗值以下，CPU 制造厂商才能对其产品保修。可以说热阻抗值的大小的不同反映着一颗 CPU 工作时对散热要求的差异，不同的 CPU 因发热功率及允许承受的最高工作温度的不同,对散热方面的要求也不一样，而散热器产品必须要对其所支持的 CPU 型号提供足够的散热能力。TcTjTDP RJC等式左边为一定值，对于一款散热器显然是热阻抗值越小，就可以使 P 值更大，也就是可以承载更大 TDP 的 CPU 散热，也就说明性能越好。对于散热器，我们可以列出如下的等式:P=H*A* T P： 散热片与周围空气的热交换总量（W） ； H： 散热片的总热传导率（W/CM2*） ，由辐射及对流两方面决定； A： 散热片表面积（CM2） ； ： 散热片效率，由散热片的材料及形状决定； T：散热片的最高温度与周围环境温度之差（ ）可以确定，加工成型后的散热器本体（即散热器中的金属部分）的热阻是固定的，但是更换风扇或者降低环境温度，还是可以改变一款散热器的热阻。2018/7/26 散熱器陶成文整理 第 3 頁，共 46 頁散热原理散热方式散热就是热量传递，而热的传递方式有三种：传导、对流和辐射。传导是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的方式，CPU 和散热片之间的热量传递主要是采用这种方式，这也是最普遍的一种热传递方式。对流是指气体或液体中较热部分和较冷部分通过循环将温度均匀化，目前的散热器在散热片上添加风扇便是一种强制对流法，电脑机箱中的散热风扇带动气体的流动也属于“强制热对流“散热方式。辐射顾名思义就是将热能从热源直接向外界发散出去，该过程与热源表面颜色、材质及温度有关，辐射的速度较慢，因此在散热器散热中所起到的作用十分有限（辐射可以在真空中进行）。这三种散热方式都不是孤立的，在日常的热量传递中，这三种散热方式都是同时发生，共同发挥作用的。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。对于CPU 散热器，依照从散热器带走热量的方式，可以将散热器分为主动散热和被动散热。前者常见的是风冷散热器，而后者常见的就是散热片。进一步细分散热方式，可以分为风冷，液冷，半导体制冷，压缩机制冷，液氮制冷等等。风冷散热是最常见的，而且简单易用，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 是使用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2018/7/26 散熱器陶成文整理 第 4 頁，共 46 頁对麻烦一些。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。半导体制冷:“N.P 型半导体通过金属导流片链接，当电流由 N 通过 P 时，电场使 N 中的电子和 P 中的空穴反向流动，他们产生的能量来自晶管的热能，于是在导流片上吸热，而在另一端放热，产生温差”这就是半导体制冷片的制冷原理。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，使得制冷片的散热效果强劲，但是让制冷片全速运作的前提是供电必须要稳定（一搬要几时 W 的功率），或者你需要为制冷片单独设立一个供电设备，这样成本较高，而且如果高温端的散热不到位的话也比较危险。优点:能使温度降到非常理想的室温以下；并且可以通过使用闭环温控电路精确调整温度，温度最高可以精确到 0.1 度；可靠性高，使用固体器件致冷，不会对 CPU 有磨损；使用寿命长。缺点：CPU 周围可能会结露，有可能会造成主板短路；安装比较困难，需要一定的电子知识。比较保险的方法是让半导体制冷器的冷面工作在 20左右为宜2018/7/26 散熱器陶成文整理 第 5 頁，共 46 頁压缩机制冷：压缩机制冷其实已经是我们比较熟悉的方式了。在日常生活中，冰箱，空调等制冷设备都是采用压缩机制冷方式。应用在个人电脑上，主要是将吸热部分集中在 CPU 区域。压缩机制冷一般可以维持在零下 100 摄氏度左右。相对液氮的温度要高了不少，并且通过妥善的安装，电脑硬件可以长期稳定的在机箱中运行，虽然噪音可能不小。干冰、液氮制冷：干冰与液氮制冷都是依靠压缩或冷却气体在常温下气化，迅速吸收大量的热来制冷。这两种极端的散热方式可以带来最为顶级的散热效果。2018/7/26 散熱器陶成文整理 第 6 頁，共 46 頁是骨灰级超频玩家降温的必用手段。但同时这种方法也是非常危险的。因为快速的温度下降导致的温差会发生结露，容易导致主板等短路。石墨导热 ：由于具备了等向性（anisotropic）的特性，石墨在导热时是根据一定的方向来流动的。其实在这样的特性下，石墨就很好区别于一般风冷材质的铜和铝，因为这两种金属都不具备这种属性，所以也无法用它们来控制热的传输方向。所以是使用石墨散热技术制造的产品就可以按着需要的方面来依次的进行热传导。优点散热片体积更小更轻一片具有弹性而且可以定型小小的石墨片，经过了切割之后几乎可以应用在各种设备上。它的最大传导系数为 500W/mk（比热管要低）。而重量比铜轻了80%。并且比铝也轻了 30%。缺点：石墨的脆弱性虽然石墨散热技术可以用铝箔包裹以保持其外形，但是脆弱本身是无法消去的。由于我们在使用电脑和拆装一些电脑配件的时候，经常也不小心的将电脑配件撞击。这样的意外承受压力也是产品本身需要考虑的。成本问题对于任何产品来说，成本问题都无法解决。我们之前所听说过的石墨散热技术，2018/7/26 散熱器陶成文整理 第 7 頁，共 46 頁一般是来自于比较昂贵的医疗器材上。石墨技术无疑是一个不错的医疗散热材料。但由于应用于这些非常昂贵的医疗器材上也意味着其昂贵。液态金属导热：这种冷却新技术利用镓和铟的混和液体作为散热剂，混和金属在 10 度时为液态。这种冷却剂导热性能比水高 65 倍，比空气导热性高 1600 倍，因此液体金属吸收热量效率极高。虽然液态金属导热性极佳，但是其吸收的热量难以向外接释放，虽然液态金属能够带来散热效率提升，但是远低于预期。散热原理散热器材质风冷散热器一般由散热片和风扇构成，这种散热方式的原理很简单：CPU 产生的热量通过热传导传递到散热片，风扇高速转动将绝大部分热量通过对流（强制对流和自然对流）的方式带走，只有极少部分的热量通过辐射方式直接散发。风冷散热器的制造成本低，可操作性强，使用起来也方便安全，所以成为了我们最常用的散热方式。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。散热片所要做的的就是要将聚集 CPU Die 中的热量传导到更大的热导体并通过巨大的散热面积与空气进行热交换。在这个过程中，散热片的底座是与 CPU 接触并聚集热量的地方，而鳍片则是热量传导的终点，最终将热量散失到空气中。所以，散热器的底座和鳍片是最值得重视的两个部分。首先是散热器底座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，只有具备高热传导系数的金属才能胜任。其次是散热器本体应当具备足够的储热能力，即较大的热容量，通常承担这个任务的是鳍片。散热器材质是指散热器本体所使用的具体材料。对于金属导热材料而言，比热和热传导系数2018/7/26 散熱器陶成文整理 第 8 頁，共 46 頁是两个重要的参数。比热的定义为：单位质量下需要输入多少能量才能使温度上升一摄氏度，单位为卡/（千克C），数值越大代表物体的容热能力越大。以下是几种常见物质的比热表：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：我们看到，水的比热远高于金属，有更强的容热能力，这也正是水冷有出色散热效果的原因。而普通风冷散热器自然要选择金属作为散热器的材料。我们希望所选用的材料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，所以目前绝大多数散热器都采用铝作为主要材料。但纯铝硬度不足，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，上面列举了几款散热器常用铝合金的导热性能，铝优良的导热能力在铝2018/7/26 散熱器陶成文整理 第 9 頁，共 46 頁合金身上基本上得到保留。而铜的传导系数颇高，热传导能力非常强。而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最为常见的散热器。纯铝散热器制造工艺简单，成本低，目前仍然占据着相当一部分市场。最常用的加工手段是铝挤压技术(Extrusion)。评价一款纯铝散热器的主要指标是散热器底部的厚度和现 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。纯铜散热器铜的导热系数是铝的 1.69 倍，所以在其他条件相同的前提下，纯铜散热器理应获得比纯铝更好的散热效果。不过铜的质地是有讲究的，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，但大大影响了散热性。但用铜作为材质也有明显的缺点，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。散热原理铜铝结合技术目前最常用的散热片材料是铜和铝合金。而铝合金容易加工，成本低，所以也是应用最多的材料。相比之下，铜的瞬间吸热能力比铝合金好，但散热的速度就较铝合金要慢。考虑了铜和铝这两种材质各自的缺点，目前市场部分高端散热器采用了铜铝结合制造，这些散热片通常都采用铜金属底座，而散热鳍片则还是采用铝合金，除了铜底，也有散热片使用铜柱等方法，也是相同的原理。凭借较高的导热系数，铜制底面可以快速吸收 CPU 释放的热量；铝制鳍片可以借助复杂的工艺手段制成最有利于散热的形状，并提供较大的储热空间并快速释放，这在各方面找到了的一个均衡点。2018/7/26 散熱器陶成文整理 第 10 頁，共 46 頁热量从 CPU 核心散发到散热片表面，是一个热传导过程。对于散热片的底座而言，由于直接与高热量的小面积热源接触，这就要求底座能够迅速将热量传导开来。散热片选用较高导热系数的材料对提高热传导效率很有帮助。如铝的导热系为 735KJ/(M.H.K)，铜的导热系数为 1386KJ/(M.H.K)，相比较起来同样体积的散热片，铜的重量是铝的 3 倍；而铝的比热仅为铜的 2.3 倍。所以相同体积下，铜散热片可以比铝散热片容纳更多的热量，升温更慢。同样一块厚度的底部，铜不但可以快速引走 CPU Die 的温度，自己的温度上升也比铝的散热片缓慢。因此铜更适合做成散热器的底面。当然，两种金属的结合比较困难，铜和铝之间的亲和力较差，如果接合处理不好，便会产生较大的介面热阻（即两种金属之间由于不充分接触而产生的热阻）。在实际设计和制造中，厂商总是尽可能降低介面热阻，扬长避短。常见的铜铝结合工艺有：1. 扦焊扦焊是采用熔点比母材熔点低的金属材料作为焊料，在低于母材熔点而高于焊料熔点的温度下，利用液态焊料润湿母材，填充接头间隙，然后冷凝形成牢固接合界面的焊接方法。主要工序有：材料前处理、组装、加热焊接、冷却、后处理等工序。常用的扦焊方式是锡扦焊,铝表面在空气中会形成一层非常稳定的氧化层(AL2O3),使铜铝焊接难度较高,这是阻碍焊接的最大因素。必须要将其去除或采用化学方法将其去除后并电镀一层镍或其它容易焊接的金属，这样铜铝才能顺利焊接在一起。散热片上的铜底是进行热的传导，要求的不仅是机械强度，更重要的是焊接的面积要大(焊着率要高)，才能有效地提升散热效能，否则不断不会提升散热效能，反而会使其比全铝合金的散热片更加糟糕。2. 贴片、螺丝锁合:贴片工艺是将薄铜片通过螺丝与铝制底面结合。这样做的主要目的是增加散热器的瞬间吸热能力，延长一部分本身设计成熟的纯铝散热器的生命周期。经过测试发现：在铝散热片底部与铜块之间使用高性能导热介质，施加 80Kgf 的力压紧后用螺丝将其锁紧，其散热效果与铜铝焊接的效果相当，同样达到了预计的散热效能提升幅度。这种方法较焊接简单, 而且品质稳定，制程简单，投入设备成本较焊接低，不过只是作为改进，所以性能提升不明显。虽然有散热膏填充，铜片与铝底之间的不完全接触仍然是热量传递的最大障碍。2018/7/26 散熱器陶成文整理 第 11 頁，共 46 頁主要工序有：铜片裁切、校平(平面度小于 0.1mm、钻孔、涂抹导热介质钻孔、攻牙、清洗、强力预压程序、两段式锁合作业、定扭力锁螺丝。其制程中主要控制好铜、铝平面度和粗糙度，以及锁螺丝的扭力等因素，即可得到一定的效能提升，是一种不错的铜铝结合方式。如果使用的导热介质性能低劣，或是铜块平整度不良，热量就不能顺利地传导至铝的散热片表面，使散热效果大打折扣。另外，螺丝的锁合力和铜材的纯度不够，都是不良的影响因素。3.塞铜 嵌铜塞铜方式主要有两种，一种是将铜片嵌入铝制底板中，常见于用铝挤压工艺制造的散热器中。由于铝制散热器底部的厚度有限，嵌入铜片的体积也受到限制。增加铜片的主要目的是加强散热器的瞬间吸热能力，而且与铝制散热器的接触也很有限，所以大多数情况下，这种铜铝散热器比铝制散热器的效果好不了多少，在接触不良的情况下，甚至为妨碍散热。还有一种是将铜柱嵌入鳍片呈放射状的铝制散热器中。Intel 原装散热器就是采用了这样的设计。铜柱的体积较大，与散热器的接触较为充分。采用铜柱后，散热器的热容量和瞬间吸热能力都能增长。这种设计也是目前 OEM 采用较多的。2018/7/26 散熱器陶成文整理 第 12 頁，共 46 頁比较少见的三角底座工艺一般有两种：1 机械式压合：机械式压合方式是将一块直径尺寸大于铝孔径的铜块，通过机械的方式，将其压合在一起，因为铝有延展性，所以铜可以在常温下与铝质散热片结合，这种方式的结合的效果也是比较可观，但有一个致命的缺点就是铜在被挤压进入铝孔的过程中，铝孔内表面容易被铜刮伤，严重影响热的传导。这要通过合理搭配过盈量以及优化设计铜块的形状来避免此类问题的产生。2 热胀冷缩结合:2018/7/26 散熱器陶成文整理 第 13 頁，共 46 頁在铝的散热片底部加工一个直径 =D1 的圆孔，另外做一个直径 =D1+0.1MM的铜柱， 利用金属材料的热胀冷缩特点，将铝质散热片加热至 400，其受热膨胀圆孔直径扩张至 D1+0.2MM 以上。利用专门机器在高温下将常温（或冷却后的）铜柱快速塞入铝质散热片之圆孔内，待其冷却收缩后，铜柱与铝质散热片就能紧密结合一体。这也是一种可靠的方法，其铜铝稳定性很高，由于没有使用第三方介质，结合紧密度最佳。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。 但要注意铜柱和圆孔的直径尺寸及表面粗糙度的品质控制，这些会对其散热效果有一定的影响。 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。磨工艺则针对整个散热片底部进行磨平处理。4锻造工艺（冷锻）锻造工艺主要由 ALPHA 公司掌握，其是在金属的特殊物理状态（降伏状态）下用高压将其压入锻造模具，并在模具上预置铜块，塞入降伏态的铝中。由于降伏态时铝的特殊性质（非液态，柔软，易于加工），铜和铝可以完美的结合，达到中间无空隙，介面热阻很小。锻造工艺难度大，成本高，所以成品价格高昂，属于非主流产品。采用这种工艺的散热片一般都带有许多密密麻麻的针状鳍片。这种工艺制造的散热片样式丰富，设计的想象空间较大，但成本也相对较高。2018/7/26 散熱器陶成文整理 第 14 頁，共 46 頁5插齿（Crimped Fin）技术插齿（Crimped Fin）技术大胆改进传统的铜铝结合技术。先将铜板刨出细槽，然后插入铝片，其利用 60 吨以上的压力，把铝片结合在铜片的基座中，并且铝和铜之间没有使用任何介质，从微观上看铝和铜的原子在某种程度上相互连接，从而彻底避免了传统的铜铝结合产生介面热阻的弊端，大大提高了产品的热传到能力，并且可以生产铜片插铝座，铜片插铜座等各种工艺产品，来满足不同的散热热需求。这种技术充分的延长了一部分铜铝结合技术的寿命。除了上面介绍的外，还有一些铜铝结合的方法，但工艺主要都是得保证铜与铝的热接触面的结合品质。否则其散热效果还不如全铝合金散热片。新的制程是需要不断验证，不断改进，最终才会达成预期的效果，在选用铜铝结合的散热器时切不可只看外观，只有实际对比才能买到一个品质优良的铜铝结合散热器。2018/7/26 散熱器陶成文整理 第 15 頁，共 46 頁散热原理热管技术热管这项技术早在 1963 年就在美国的 LosAlamos 国家实验室中诞生了，其发明人是 G.M.Grover。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。以前热管技术一直被广泛应用在宇航、军工等行业。 正是因为有热管技术的民用化，使得人们改变了传统散热器的设计思路，摆脱了单纯依靠大风量风扇获得更好散热效果的传统散热模式。取而代之的是采用低转速、低风量风扇配合热管技术的崭新散热模式。热管技术更为 PC 的静音时代带来了契机。热管技术为什么会有如此的高性能呢？这个问题我们要从热力学的角度看。物体的吸热、放热是相对的，凡是有温度差存在的时候，就必然出现热从高温处向低温处传递的现象。热传递有 3 种方式：辐射、对流、传导，其中热传导最快。热管就是利用蒸发制冷，使得热管两端温度差很大，使热量快速传导。常见的热管均是由管壳、吸液芯和端盖组成。制作方法是将热管内部抽成负压状态，然后充入适当的液体，这种液体沸点很低，容易挥发。管壁有吸液芯，由毛细2018/7/26 散熱器陶成文整理 第 16 頁，共 46 頁多孔材料构成。热管一端为蒸发端，另外一端为冷凝端。当热管一段受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，重新凝结成液体。液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不止。热量由热管一端传至另外一端，这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来。热管的导热过程具有很高的热传导性能，与金属相比，单位重量的热管可多传递几个数量级的热量，并且具有优良的等温性和热开关性能，特别适用于高精密散热环境。高速度的热传导效果： 重量轻且构造简单。 温度分布平均，可作均温或等温动作。 热传输量大。热传送距离长。 没有主动元件，本身并不耗电。 可以在无重力力场的环境下使用。 没有热传方向的限制，蒸发端以及凝结端可以互换。 容易加工以改变热传输方向。 耐用、寿命长、可靠，易存放保管。2018/7/26 散熱器陶成文整理 第 17 頁，共 46 頁热管的制作工艺 看似简单的热管其实对工艺的要求是非常高的，下面让我们来一起看看它的工艺及测试： 工作流体选定：非燃性、操作温度、热传量、容许热阻、经济性。 容器材料选定：热传导性、真空维持度、耐压、流体相容性（腐蚀、化学反应）。 容器及注入加工：长度、去毛边、洗净、封口、保存。泄漏测试就：氦气泄漏探测、高压气泡检查（防止容器出现针孔、裂隙以及氧化）。 真空烘烤：高温、真空的环境下对热管组件作毛细表面脱水、脱氧处理。 工作流体真空处理：加热驱出（液态）、气态液化（气态）、真空补汞法。注入封口：钨电极纯气熔接（这对于导热管来说，是唯一的防漏封口法）。 抽样测试：氧化/腐蚀耐用性测试、最大热传效能测试、最大弯曲/扁平后泄漏测试、最大弯曲/扁平后效能测试、寿命测试。其他特性限制 在热传输上，热管也有一些限制： 黏性限制：低温的蒸气流动黏性力。 音速限制：蒸气流达音速的塞流现象。 飞散限制：蒸气流速过大，超过液体表面张力，使液滴飞散的剪断力。 毛细管限制：流体的流量大于毛细输送能力。此现象易使毛细干燥，烧毁导管。 沸腾限制：所有流体都达沸腾汽化时，会降低传热的能力。热导管的确传热效率会比铜/铝要好 N 倍，但是其中成功与失败的重要因素就是接口与后端把热带出的部分。普遍来说，目前都是以铜底板作底中间用锡膏作介质与热导管接触，然后过回焊炉之后，铜底板就会与热导管密合，这边就会成为受热端；而散热端就是另一端以穿鳍片的方式将鳍片固定其上，在配合风扇将热带出鳍片到空气中。所以这种散热器的要点就是：1.铜片底板要薄，且底板与热管的密合度要高，以减少 CPU CASE 到热导管之间的热阻。2.导管最好设置在 CPU DIE 位置的上方，以减少 CPU CASE 到热导管之间的热阻。3.散热端的鳍片要多，且与热管密合度高，原因也是为了减少热管到空气之间的热阻。4.风扇吹出的热气一定要快速且有效的带出机壳之外，以免增加整体热阻。5.风扇入口的空气温度不可太高，以免增加整体热阻。2018/7/26 散熱器陶成文整理 第 18 頁，共 46 頁散热原理加工成型技术时下散热器的主流成型技术多为如下几类：一、铝挤型散热片铝挤压（Extruded）技术：铝，作为地壳中含有量最高的金属，成本低是其主要特点，并且由于铝挤压技术含量及设备成本相对较低，所以铝材质很早就应用在散热器市场。铝挤技术简单的说就是将铝锭高温加热至约 520540，在高压下让铝液流经具有沟槽的挤型模具，作出散热片初胚，然再对散热片初胚进行裁剪、剖沟等处理后就做成了我们常见到的散热片。一般常用的铝挤型材料为 AA6063，其具有良好热传导率(约 160180 W/m.K)与加工性，为最普遍应用之制程。不过由于受到本身材质的限制散热鳍片的厚度和长度之比不能超过1：18，所以在有限的空间内很难提高散热面积，故铝挤散热片散热效果比较差，很难胜任现今日益攀升的高频率 CPU。2018/7/26 散熱器陶成文整理 第 19 頁，共 46 頁二、铝压铸型散热片 除铝挤型外，另一个常被用来制造散热片的制程方式为铝压铸型散热片。其制程系将铝锭熔解成液态后，填充入金属模型内，利用压铸机直接压铸成型，制成散热片，采用压注法可以将鳍片做成多种立体形状，散热片可依需求作成复杂形状，亦可配合风扇及气流方向作出具有导流效果的散热片，且能做出薄且密的鳍片来增加散热面积，因工艺简单而被广泛采用。一般常用的压铸型铝合金为 ADC12，由于压铸成型性良好，适用于做薄铸件，但因热传导率较差(约 96 W/m.K)，现在国内多以 AA1070 铝料来做为压铸材料，其热传导率高达 200 W/m.K 左右，具有良好的散热效果，但是以 AA1070 铝料来压铸存在着一些如下 所述之问题： (1)压铸时表面流纹及氧化渣过多，会降低热传效果。 (2)冷却时内部微缩孔偏高，实质热传导率降低(K200 W/m.K)。 (3)模具易受侵蚀，致寿命较短。 (4)成型性差，不适合薄铸件。 (5)材质较软，容易变型。 随着 CPU 主频的不断提升，为了达到较好的散热效果，采用压铸工艺生产的铝质散热器体积不断加大，给散热器的安装带来了很多问题，并且这种工艺制作的散热片有效散热面积有限，要想达到更好的散热效果势必提高风扇的风量，而提高风扇风量又会产生更大的噪音。三、接合型制程散热片 这种散热片是先用铝或铜板做成鳍片，之后利用导热膏或焊锡将它结合在具有沟槽的散热底座上。结合型散热片的特点是鳍片突破原有的比例限制，散热效果好，而且还可以选用不同的材质做鳍片。此制程之优点为散热片细长比可高达 60 倍以上，散热效果佳，且鳍片可选用不同材质制作，当然了，缺点也显而易见，就是利用导热膏和焊锡接结合鳍片和底座会存在介面阻抗问题，从而影响散热，为了改善这些缺点，散热片领域又运用了 2 种新技术。 首先是插齿技术，它是利用 60 吨以上的压力，把铝片结合在铜片的基座中，并且铝和铜之间没有使用任何介质，从微观上看铝和铜的原子在某种程度上相互连接，从而彻底避免了传统的铜铝结合产生介面热阻的弊端，大大提高了产品的热传到能力。最为成功的就是 AVC 公司。第二种是回流焊接技术，传统的接合型散热片最大的问题是介面阻抗问题，而回流焊接技术就是对这一问题的改进。其实，回流焊接和传统接合型散热片2018/7/26 散熱器陶成文整理 第 20 頁，共 46 頁的工序几乎相同，只是使用了一个特殊的回焊炉，它可以精确的对焊接的温度和时间参数进行设定，焊料采用用铅锡合金，使焊接和被焊接的金属得到充分接触，从而避免了漏焊空焊，确保了鳍片和底座的连接尽可能紧密，最大限度降低介面热阻，又可以控制每一个焊点的焊铜融化时间和融化温度，保证所有焊点的均匀，不过这个特殊的回焊炉价格很贵，主板厂商用的比较多，而散热器厂商则很少采用。把这个技术做得很成功的就是 Tt 公司。回流焊接包括了铜鳍片冲压技术以及回流焊接两部分组成。鳍片冲压也是其难点，鳍片冲压由连续冲床和加工模具进行加工，加工模具精度非常高，技术含量也很高，国内少有厂商可以做到，Tt的模具是在台湾开的，而连续冲床只要加大投资就可以获得，因此大部分技术难点还是体现在模具上面。目前回流焊接做的比较好的厂商除了 Tt 还有 AVC和 Thermalright。回流焊接工艺的精度与效果和制造成本呈线性关系：成本越高，精度越高，效果越好。如果风冷散热器都像 Thermalright 一样不计成本的使用回流焊接技术导致成品售价过高，则无疑加速了液冷时代的来临。回流焊接流程1. 搅拌锡膏2. 检验铜片外观（铜底板和铜鳍片）3. SMT 自动印刷机将锡膏印在铜板上，可以使锡膏的厚度、宽度均匀一致4. 经过连续冲床和加工模具进行鳍片加工5. 冲压完成后，通过治具将铜底和鳍片进行定位，压力适中，为回流焊接做准备6. 通过治具检查后，将半成品送入回流焊接生产线，通过计算机控制 7 段/9段式温度，监测焊接温度。焊接温度直接影响到产品的质量，因此非常重要。不同的产品其温度参数都不相同7. 焊接过程大概由高温到低温，陆续冷却8. 拆卸治具9. 在加热过程中锡膏除高温蒸发后还会有部分残留，于是要对散热片进行超音波清洗，将锡膏中的铸焊剂（如松香）等杂质进行清洗10. 最后的钝化过程是对铜质散热片最不可缺少的部分，防止铜受到氧化，影2018/7/26 散熱器陶成文整理 第 21 頁，共 46 頁响散热效果。 四、可挠性制程散热片 可挠性散热片是先将铜或铝的薄板，以成型机折成一体成型的鳍片，然后用穿刺模将上下底板固定，再利用高周波金属熔接机，与加工过的底座焊接成一体，由于制程为连续接合，适合做高厚长比的散热片，且因鳍片为一体成型，有利于热传导之连续性，鳍片厚度仅有 0.1mm，可大大降低材料的需求，并在散热片容许重量内得到最大热传面积。为达到大量生产，并克服材质接合时之接口阻抗，制程部份采上下底板同时送料，自动化一贯制程，上下底板接合采高周波熔焊接合，即材料熔合来防止接口阻抗的产生，以建立高强度、紧密排列间距的散热片。由于制程连续，故能大量生产，且由于重量大幅减轻，效能提升，所以能增加热传效率。 五、锻造制程散热片 锻造工艺就是将铝块加热后将铝块加热至降伏点，利用高压充满模具内而形成的，它的优点是鳍片高度可以达到 50mm 以上，厚度 1mm 以下，能够在相同的体积内得到最大的散热面积，而且锻造容易得到很好的尺寸精度和表面光洁度。但锻造时，由于冷却塑性流变时会有颈缩现象，使散热片易有厚薄、高度不均的情况产生，进而影响散热效率，因金属的塑性低，变形时易产生开裂，变形抗力大，需要大吨（500 吨以上）位的锻压机械，也正因为设备和模具的高昂费用而导致产品成本极高。且因设备及模具费用高昂，除非大量生产否则成本过高。2018/7/26 散熱器陶成文整理 第 22 頁，共 46 頁全世界目前有能力制造出冷锻散热片厂商并不多，最为有名的就是日本的ALPHA，而台湾就是 Taisol，MALICO-太业科技。冷锻的优点是可以在制造出散热面积比铝挤还大的散热片，且因铝挤制造过程是拉伸，所以铝金属组织是承水平方向扩大，而冷缎方向是垂直压缩的，因此对于散热上，冷锻占较大的优势，缺点是成本高，有技术可制造生产的厂商亦不多。六、金属粉末射出成型散热片 金属粉末射出成型散热片主要应用在高熔点、高热传导的材料(如铜)，其方式系采金属粉末射出方式，直接做成散热片初胚，再利用高温烧结，制成具有强度及密度之成品。其优点为可将高导热之铜粉末直接一体成型，成为高效能之散热片，适用于高发热量及受空间限制之电子产品上，其缺点为原料成本贵及产品良率较低，多应用于有较高利润之产品。 鳍片式散热片使重量及散热面积都达到相当理想的状态，最大的问题就在其与散热片成型时，如果加工技术或品质不良，那么散热片所聚的热量无法顺利被引导、散热，那就会弄巧成拙。七、刨床、切削工艺：刨床式制程散热片系先以挤型方式做出带有凹槽之长条状初胚，再利用一特殊之刀具，将初胚削出一层层的鳍片出来，其散热鳍片的厚度可薄至 0.5mm 以下，且鳍片与底板是一体成型，较没有接口阻抗的问题，但是缺点为成型的过程中，2018/7/26 散熱器陶成文整理 第 23 頁，共 46 頁由于材料应力集中，鳍片与底板接合处会产生肉眼不易察觉之裂缝，进而影响散热片之散热功能，且由于废料、量产性及良率之问题，使得制作成本较高，故目前多偏向于铜材质散热片之应用。切削技术就是对一整块金属进行一次性切削，形成很薄、很密散热鳍片，从而有效地增加了散热面积。由于要进行切削，金属的硬度不能太高，所以铝的含量会比普通铝合金散热片稍高，成型后的散热器质量很轻，安装方便。这种技术虽然原料成本与普通压铸成型的散热器相当，但工艺要求高，加工困难，因此产品并不多。精密切割技术精密切割技术是将一块整体的型材（铝/铜），根据需要用特殊的切割机床在基座上切割出指定间距的散热鳍片。相比传统的铝挤压工艺，精密切割技术可以在单位体积内切割出更大的散热面积（增加 50%以上）。精密切割技术切割出的散热片表面会形成粗颗粒，这种粗颗粒可以使散热片和空气的接触面更大，提升散热效率。精密切割的最大优势是散热器属于整体切割成型，散热鳍片和散热底座结合为一体，精密切割技术制造的散热片不存在介面热阻的问题，热传导效率非常高。2018/7/26 散熱器陶成文整理 第 24 頁，共 46 頁七、扩展结合工艺：扩展结合工艺跟插齿工艺有些类似，先将铝或铜板做成鳍片，在高温下将鳍片插入带沟槽的散热器底部，不过扩展结合工艺在插入鳍片的同时还要塞入一个短铜片以产生过盈连接并提高散热鳍片与散热器底部的连接面积，来减小接触热阻，该工艺的接触热阻非常不错，该工艺已经被不少日系厂商所采用。2018/7/26 散熱器陶成文整理 第 25 頁，共 46 頁八、折叶（Fold FIN）技术：Fold FIN（金属折叶）技术，其原理与 Skiving 技术类似，是将单片的鳍片排列在特殊材料焊接的散热片底板上，由于鳍片可以达到很薄，鳍片间距也非常大，在单位面积可以使有效散热面积倍增，从而大大提高散热效果。Fold FIN技术也很复杂，一般厂家很难保证金属折叶和底部接触紧密，如果这点做得不好，散热效果会大打折扣。现在只有在某些显卡上才能见到它的身影了。同时折叶工艺并非一项单独的制造工艺，它往往伴随回流焊接工艺。使用折叶工艺可以更好的控制焊接的精度，同时提高鳍片的强度。折叶后鳍片之间相互连接，还可以改善热量传递。Fold FIN 技术也很复杂，一般厂家很难保证金属折叶和底部接触紧密，如果这点做得不好，散热效果会大打折扣。而在目前的表表者当属 ZALMAN 公司的一系列产品了，其制造的散热器有着散热效果好和低噪音的相结合效果。要安装这么密集的鳍片而保持与底座良好的热传递性能的确不容易，为了降低鳍片的安装难度，不少散热器采用了折叠鳍片的办法。九、压固法将众多的铜片或铝片叠加起来，将其中一个侧面加压并抛光与 CPU 核心接触，另一侧面伸展开来作为散热片的鳍片。压固法制作的散热器其特点是鳍片数量可以做的很多，而且不需要很高的工艺就能保证每个鳍片都能与 CPU 核心保持良好的接触而各个鳍片之间也通过压固的方式有着紧密的接触，彼此之间的热量传导损失也会明显降低，因此这种散热器的散热效果往往不错。2018/7/26 散熱器陶成文整理 第 26 頁，共 46 頁散热原理底面处理工艺散热底面与 CPU 之间会产生微小的空隙。为了减小之间的空隙，除了使用一定量导热性能好的硅胶填充外，打磨平整的散热器底面也是必不可少的步骤。平整的底面可以减少热阻很大的散热膏的使用量。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。2018/7/26 散熱器陶成文整理 第 27 頁，共 46 頁拉丝工艺的特征是底面呈一条条平行的磨痕 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