浅谈CPU散热器的种类、材质、结构与散热性能.doc

引 言散热器，始终是众多硬件DIYer们关心的热门话题，尤其是那些超频发烧友：“AMD的原装散热器到底怎么样？”“要什么样的散热器才能使我的2500+稳定运行在3200+上？”“Prescott核心的P4-2.4A需要配合什么样的散热器才能稳超800MHz FSB？”这些既老调且没有标准答案的问题，在世界各大硬件网站的BBS上出现频率最高。炎炎的夏季即将来临，各位DIYer们电脑中的散热器到底能不能支撑过这段时间呢？有没有换掉现有散热器的打算？具体需要投资多少钱才能买到适合自己要求的价廉物美的散热器呢？对于市场上的一些散热器的材质结构及散热性能，本人浅谈一下自己的认识，希望以能起到抛砖引玉的作用。 原创作者：姚臻虽然现在的CPU在制造工艺上有了很大的改进，但越来越高的频率使其发热量越来越令人恐怖，每块都需要用到散热器，市面上的CPU散热器从低端的纯铝制、纯铜制、纯银制，到中端的嵌铜式铝制、压铸铜式铝制、热管制，再到高端的水冷、油冷、半导体制冷、压缩机制冷、干冰制冷、液氮制冷、液氦制冷等都能买到；散热方式从被动散热到主动散热，再到主动制冷，品种五花八门，种类极其繁多，下面我们就来介绍一下各种材质、结构散热器的散热性能。一个完整的散热器应该是由散热片和风扇两部分组成。一、散热片介绍：1、 纯铝制散热片这种散热片是目前使用率最高的散热片之一，整体采用纯铝制造。铝，作为地壳中含有量最高的金属，成本低和热容低是其主要特点，虽然吸热慢，但放热很快，散热效果跟其结构和做工成正比，散热片数越多、底部抛光越好，散热效果越好，但也受其制造工艺上的制约，一般采用铝挤压式制造工艺的散热器凹槽的最小间隔只能做到1.1毫米。散热原理也是最简单的：利用散热器上的散热片来增大它与空气的接触面积，再利用风扇来加速空气流动从而带走散热片上的热量。这种散热片的价格也是最低的，跟以下几种散热器相比散热效果最差。2、 纯铜制散热片这种散热片跟铝制散热片唯一的区别就是材质换成了纯铜，因为铜跟铝相比有个先天的优点：热传导效能为412w/mk，比铝的226w/mk提高了将近1倍，但铜也有个先天的缺点：热容太高了，也就是说这种散热片吸热快但放热慢，需要配合大功率高转速的风扇，才能达到理想的效果。由于铜具有良好的韧性，制造工艺上比铝容易多了，有折页式、插齿式等，散热片的密度可以比铝制的做得更高，散热面积也相应更大，这些都可以弥补其热容高所导致散热慢的不足，但纯铜的单位成本和制造成本比铝高很多，直接导致这种散热片的价格居高不下，虽然价格高，但散热效果比铝制的要好多了。3、 纯银制散热片这种散热片的材质采用了吸热快放热也快的纯银，银的热传导效能为432w/mk，比铜略高，但其热容很低，热量在银质散热器体上的物理沉淀少，仅相当于铝的水平，也就是说银制的散热器是集合了铜和铝各自的优点于一身，拥有铜的快速导热性及铝的快速放热性，散热效果非常好，唯一的缺点就是价格高，众所周之，由于银的密度比较高，一个小小的散热片需要几百上千克的银，ALPHA公司著名的PAL7088T纯银制散热器，其中散热片采用1300克纯银，不含风扇的价格就高达15600元，如果配合ALPHA的CTT8450液态轴承马达全自动温控风扇，总价已经超过20000元了，这种离谱的价格实在是非一般人所能接受的。4、 嵌铜式铝制散热片这种散热器可以说是用经济实惠的方式解决了铜和铝的矛盾关系中间嵌铜块的铝制散热片，用铜块跟CPU接触，利用铜的快速吸热性来吸取CPU 的热量，再利用铝的快速放热性来释放铜块上的热量，这样做散热效果要好于单一的纯铜或纯铝散热片，但还远远不及纯银的效果，原因很简单：嵌铜散热片的制造过程是利用热胀冷缩的原理，将铝制散热片加热到一定的温度后，再把事先准备好的铜块嵌进去，等铝的温度下降后，收缩就把铜块紧紧地包在了一起，但是铜和铝不能做到100%的接触，所以在热传导效能方面会受到一定的影响，但优点是价格便宜，基本上几十元钱就能买到，比起动辄上百元的纯铜散热片来说，既经济实惠，且效果又好。5、 压铸铜式铝制散热片这种散热片乍看外表颇似嵌铜散热片，底座上也有一块铜，但不一样的地方是：这种散热片上的铜块并不像嵌铜散热片那样是利用热胀冷缩的原理嵌进去的，而是使用了最先进的压铸技术，可以说是完全的无缝连接，所以在铜块与铝座的连接线上，无论怎么看，怎么摸，都绝对感觉不到任何缝隙，从根本上保证了铜块与铝座之间的热传导性，因此，具有超强的散热性能。典型的例子就是被媒体称为“地球上最强风冷散热器”的ALPHAPAL8045T。当然，由于制造复杂做工精细，一般采用这种工艺制造的散热器价格颇高， ALPHAPAL8045T不带风扇的散热片，其价格就要420元了，价格是比较昂贵，但散热效果极佳。 6、 热管散热系统这种散热系统与上述的散热片不同，上述的散热片是利用金属的热传导性能将热量从散热面积小的CPU表面传递到散热面积大的散热片上，因此，其散热性能取决于制造这个散热片所采用的材质。热管散热系统并不是利用金属的热传导性能来导热的，而是利用在密闭的铜管内液态介质的蒸发及冷凝过程传递热量的，由于液态到气态及气态到液态的转化，分别需要吸收及放出大量的热，所以热管传递热量的效率很高，导热系数比单一金属材质要高出几个数量级。具体请看下图： 原理是：在密闭的铜管中抽真空并填入沸点较低的液体，当铜管的一头温度升高时，这段铜管里面的液体就会受热而汽化，并依靠铜管内部两端的蒸汽压力差而向另一端移动，由于另一端的温度较低，气体移动到这里时，遇冷液化并反向流回，这个反向的流动依靠热管内壁丝网结构提供的毛细泵力进行的，我们知道，当液体变成气体时是要吸收大量的热，而当气体变成液体时会放出大量的热，热管就是利用这个原理来传导热量的，典型的例子就是图示的TT SP-94纯铜热管散热器。二、风扇介绍1、 风扇的分类风扇是组成一个完整的散热器中必不可少的一部分，一个再强大的散热片，如果缺少了风扇的配合，那么它的散热效果将大打折扣。现今主流的风扇按照马达中轴承的原理基本上可分为以下三类： 普通轴承风扇：这种风扇是最普通最便宜、应用最多的风扇了，价格低廉但寿命不长。 滚珠轴承风扇：这种风扇最近开始流行，转速比轴承风扇要提高不少，用钢珠的滚动来代替普通轴承风扇中的机械摩擦，所以寿命要长得多，相比之下转动时的声音也要小很多，售价比普通轴承风扇稍贵。 液态轴承风扇：这种风扇是用油膜取代滚珠轴承里的钢珠，转动时不会有金属接触，因此噪音和发热量均大幅下降，理论上无磨损；用油膜代替钢珠还使得轴承能有效吸收外来震动，保护轴承表面。从而大大增加了轴承所能承受的撞击力，它所产生的噪音是所有风扇中最小的一种，寿命最长，转速最高，但价格相对也是最高的。2、 风扇的转速一个强大的散热片配合一个高转速的风扇是很有必要的，普通轴承风扇由于受其先天缺陷的影响，转速一般不超过每分钟3000转，在这么慢的转速下想保持较大的风压只能增加风叶的倾斜角度，但风叶的倾斜角度越大相应所产生的切风声音也就越大，所以这种风扇只能使用在低档的散热器中，或为那些发热量不大的CPU所散热的。滚珠轴承风扇的转速从每分钟2500转到8000转的都有，转速不同导致的散热效果不同，声音不同、价格也不同，一般5000转以下的是配合嵌铜或压铸铜散热片使用的，5000转以上的是配合纯铜、纯银的散热片使用的。价格从20元到300元之间。液态轴承风扇的最低转速就达到了每分钟5000转以上，平均都在7000转左右，更有甚者超过了每分钟1万转，ALPHA公司著名的CTT8450液态轴承马达全自动温控风扇，最高转速达到了每分钟1万2千转，但由于采用的是全自动温控方式，它能感应出散热片的温度，并能根据温度的变化自动调节转速及风叶的倾斜角度，如果温度正常的话它就保持在4000转的转速，这时的风叶也是最平的，相对声音最小；如果散热片温度升高的话那么它的转速也自动提高，风叶的倾斜角度自动加大，在这么高的转速下，风叶稍微加一丁点倾斜角度风压就会加很大，散热效果是所有风扇中最好的一种，当然它的售价也自然是最高的，光一只风扇就要卖到了5500元！这个价格能买一台中档电脑了。3、 风扇的防风罩市场上有一些散热器的风扇上，装有个叫“防风罩”的东西，这个防风罩主要起两点作用：第一点是防止异物落入打伤风叶，第二点也是最重要的一点就是防止风压反弹。这个防风罩的宽度厚度及上面空隙之间的间隔距离，都是事先设计好的，使这个防风罩正好能阻止并弹回反弹上来的风压，但这种风扇只能配合它原配的散热片，否则如果换用其他散热片的话由于结构不同导致风压反弹点的不同，以使防风罩不能起到防止风压反弹的作用。然而，由于这种散热器的价格动辄上百元，不要也罢。4、 风扇的散热效果：由于风扇的中心没有风叶，致使吹出来的风其中心的流速几乎为零，这使散热片的外围降温较快，而中间较慢，通过红外线热敏仪的测试（见右图），散热片的温度分布情况是这样的：其中红色的部分表示温度较高，蓝色的部分表示温度较低。好在有问题就有相应的解决办法：CoolerMaster公司出产的一款散热器，采用了飞机引擎的涡轮状式风扇，根本上解决了传统风扇的“中心风力盲区”问题，使其风能可以100的利用。请看下图：三、散热器结构介绍：一个散热器的散热效果，不仅仅受其散热片所使用材质不同的影响，还受其散热面积的大小、底面抛光度、散热片的样式等诸多因素的影响，下面我们就来具体分析一下：1、 散热面积的大小散热器的最基本散热方式就是利用散热片来增大散热面积，但CPU散热器的大小和重量都受到一定的局限，那么，怎么样才能使一定量体积的散热器拥有更大的散热面积呢？散热片形状的设计便起到了决定性的作用，让我们来看下面两张图的对比：左图是普通的散热器，右图就是著名的ALPHAPAL8045T，不用多说，右图散热器的散热面积要比左图的大得多，以使其散热性能也要好得多。2、 散热片底部的抛光度散热片的底部，也就是与CPU直接接触的平面，这里是吸收CPU热量的第一道关，一般来说，好的散热器底部抛光度应该相当高，成一个镜面，使其能与CPU紧密接触，尽量减少中间的缝隙，虽然能够用导热硅脂来填充缝隙，但导热硅脂的热传导系数远远没有金属直接接触到的高，再看看下面两张图的对比：右图中散热器底部的抛光度明显比左图要高多了，可想而知，同样两个散热器，由于散热器底部与CPU接触面间的紧密程度不同，其吸收CPU热量的速度便不同，以直接导致散热效果的不同。3、 散热片的样式散热片的样式有多种多样，最普通的就是凹凸形的，但凹凸形的散热片最大的缺点就是：当利用风扇加速的风垂直吹下来的时候，基本上没有什么阻力就顺着散热片的凹槽流过了，直接造成了空气跟散热片接触的风压不够。另外，由于散热片基本上都是方形的，根据热量的分布及上升曲线，很容易造成散热片中心的温度高于四周的温度，那么怎么办呢？我们还是来看看下图中两种散热器吧： 左图是现阶段比较流行的嵌铜式铝制涡轮散热器，它是利用带旋转角度的涡轮形散热片，强制改变风扇吹下来风的流经位置，产生一定的“切风”效应以增大每片散热片上的风压，使空气能够更好地接触到散热片并带走上面的热量。右图中扇形的散热片，完全是根据热量的分布及上升曲线而量身定造的，使其每一片叶片上的温度基本保持相同，不至于造成普通方形散热器那样中间温度高四周温度低的局面。四、制冷设备介绍1、 水冷散热器 & 油冷散热器 水冷和油冷统称为液冷，有两种循环方式，一种是封闭式的管道循环，另一种是利用蓄水池的开放式循环。（见右图） 液冷跟热管相同，也是利用中介质的流动来进行降温散热的，如果用水循环就叫水冷，用油循环就叫油冷，所用物质的不同直接导致散热效果的不同，水的热容没油大，但水的放热性能比油好，这与铝和铜的性能一样，水的吸热慢放热快，油的吸热快放热慢，具体散热温度要看你所使用的水或油的温度了，如果在水箱中放置冰块还可以使温度继续下降，液冷散热器也是第一款能将CPU温度降低到室温以下的散热器，但需要注意的就是：如果所使用的循环介质的温度大大低于室温，那么在循环管道上将会出现空气冷凝水，一定要防止其流到主板上，否则就等着看青烟吧。2、 半导体制冷片介绍到现在，真正重量级的散热系统出场了，确切地说应该叫制冷系统。半导体制冷片的原理是由两种不同的金属导线组成封闭的线路，通上电源之后，冷端的热量将被移到热端，导致冷端温度降低，热端温度升高，这叫做帕贴耳效应(Peltier effect)，它能使CPU温度降到室温以下；并且可以通过使用闭环温控电路精确调整温度，最高可以精确到0.1度；可靠性强。使用固体器件致冷，不会对CPU有磨损，使用寿命长，工作时不产生噪音。一般来说，只有2cm2cm大小的24V电压200W功率的半导体制冷片，只要做好发热面的散热工作，它能把CPU的温度降到-10C左右，非常适合普通超频爱好者使用。而其缺点是降温后CPU周围会出现冷凝水，有可能会造成主板短路；CPU要做好保暖措施，因为温度太低，CPU的脆性增大；安装比较困难，需要一定的电子知识。3、 压缩机制冷 & 干冰制冷这两种制冷方式造价较高，适合那些具有专业知识的超频爱好者使用，压缩机制冷最低能将CPU的温度降到-60C，干冰制冷最低能降到-78C，这不适合普通用户使用，完全是针对那些超频用户所准备的制冷设备，在那么低的温度下，主板CPU等器件出现冷凝水是无法避免的，可以事先在主板的表面涂上树脂、植物油等不导电的东西来避免短路。4、 液氮制冷 & 液氦制冷 这两种制冷设备是专门为那些极度超频发烧友所准备的，液氮的温度是-196C，液氦的温度是-268C，在世界著名的硬件网站www.TomsH上所刊登的世界超频榜中的前10名全部采用液氦制冷，将整台电脑浸泡在-268C的液态氦中，超低温使电脑成为了超导体，理论上无电阻阻值的存在，频率可以一直上到无限高，这种做法实属超常，而且要维持这种低温状态的设备价格就高达数千美元，除非是有钱的发烧友，否则没人会使用这种设备。五、关于散热方面的小知识1、 导热硅脂的涂抹导热硅脂实际上是用来填充散热片与CPU之间那些微小的缝隙用的，普通导热硅脂的热传导性仅是铝的一半而已，有些人在涂抹导热硅脂的时候，涂上很多，以使其成为了一层垫子，其散热效果反而比不涂的更差，正确的方法应该是：在散热器底部和CPU的表面都涂抹上导热硅脂后，再用很平的诸如刀片之类的工具将它们全部刮掉，然后再涂上再刮掉，反复至少5次以上，用以填平其表面的缝隙，然后再将散热器跟CPU紧紧的按在一起不要动了，这样才能达到最好的效果。在市场上能买到一种含银的导热硅脂，这种硅脂的导热性能比一般的要高出许多，毕竟含有了大量的银粉在里面，价格也比较昂贵！还有一种是导热硅胶，它同导热硅脂的区别就是导热硅胶带有很强的粘性，能粘牢很多没有卡口的散热器，除非你是真的没有办法了，否则不推荐使用，因为如果采用硅胶的话，粘上去基本上就无法取下来了，除非用很薄的刀片慢慢切割下来才行，费时费力。2、 高温对CPU的危害根据电子学理论，频率的提高(在稳定的前提下)对于半导体电子元件寿命不会有影响，但是频率变高后，却会产生更多的热量，电子元器件像CPU、内存等等，表面积都非常小，多产生的热量都聚集在这小小的地方，如散热不好将会产生极高的温度，从而引发“电子迁移”现象，而且现在CPU的主频越来越高，再加上还有我们这一伙DIY为了以获取更高的性能而加电压超频，如此一来，产生的热量会更多。 高热所导致的“电子迁移”现象会损坏半导体电子元器件。为了防止此现象的发生，我们应该把CPU的表面温度控制在摄氏50C以下，这样，CPU的内部温度