（热能工程专业论文）台式计算机中微处理器散热器散热特性的研究.pdf

摘要 计算机技术的发展使电子芯片散热量越来越大，解决电子芯片的散热成为热 能专家面临的重要课题。目前应用最广泛的电子芯片散热技术仍然是强制风冷散 热。散热器普遍被应用于台式计算机芯片的散热。对于设计者和应用者来说，掌 握散热器的散热特性非常重要。由于散热器的材质不同、结构形状并不规则等原 因，我们需要建立统一的对这些散热器的散热性能进行测试及其评价方法。本文 主要针对商业散热器进行了在自然对流和强制肘流下的热特性的研究。 本文介绍了一个标准的测试装置，用以解决计算机芯片散热器的性能测试及 其分析。通过控制模拟芯片的加热功率和送风系统中空气的流速而实现散热器在 不同散热量及其不同对流强度下的散热效果的测量。采用两种不同材料和结构的 散热器，在此实验装置上进行了一系列的测试。然后，根据所测数据，对散热器 的散热特性进行了分析研究。分析了定流速和模拟芯片加热功率下的稳态过程 和急剧加热或冷却时的瞬态散热过程。同时，实现了对两种散热器的特性的分析 比较。 本文在分析实验数据的基础上，探索了测定散热器性能的标准的测试方式和 针对散热器的散热性能的分析和评价方法。此外本文还对散热器的性能评价做了 比较深入的理论分析，提出了用平均换热系数、准则关联式、热阻、瞬态过程的 理论分析进行分析评价的方法，并将对两散热器的散热性能进行理论分析。 对于以上问题的研究有助于推动对散热器的特性进行标准的检测及其评价 的研究，也为散热器的设计及优化研究打下坚实的基础。不仅具有较高的学术价 值，同时也具有重要的实际意义。 关键词散热器；模拟电子芯片；性能测试；散热特性 a b s t r a c t h e a tg e n e r a t i o no fe l e c t r o n i cc h i p sb e c o m e sl a r g e ra n dl a r g e rb e c a u s eo ft h e r a p i dd e v e l o p m e n to f c o m p u t e rt e c h n o l o g y i ti sk e yp r o b l e mf o rs o l v i n gh e a tr e m o v a l o fe l e c t r o n i cc h i p s f o rt h et i m eb e i n g ，t h em o s tu s e f u la n dt h em o s te x t e n s i v e l yu s e d c o o l i n gm e t h o do fe l e c t r o n i cc h i p si ss t i l lt h ef o r c e dc o n v e c t i o n h e a ts i n k sa r eu s e d t or e m o v et h eh e a to f p e r s o n a lc o m p u t e r sf o rd e s i g n e ra n du s e ro fh e a ts i n k ，i ti sv e r y n e c e s s a r yt og r a s pt h ek n o w l e d g ea b o u tc h a r a c t e r i s t i c so fh e a td i s p e r s i n g w es h o u l d h a v eas t a n d a r dm e t h o df o rt e s t i n ga n de v a l u a t i n gt h ep e r f o r m a n c eo f t h o s eh e a ts i n k s ， w h i c ha r em a d eo fd i f f e r e n tm a t e r i a l sm a dh a v ei r r e g u l a rc o n f i g u r a t i o n s t h i sp a p e r m a i n l ya i m sa tt h es t u d yo ft h e r m a lc h a r a c t e r i s t i co fc o m m e r c i a lh e a ts i n ku n d e r n a t u r a la n df o r c e dc o n v e c t i o n t h i sp a p e rp r e s e n t sas t a n d a r dt e s t i n ge q u i p m e n t ，w h i c hc a nb eu s e dt ot e s ta n d a n a l y s i z et h ep e r f o r m a n c eo fh e a ts i n k s t h et e s to nt h ee f f e c t so nh e a ts i n ku n d e r d i f f e r e n th e a td i s s i p a t i o n sa n dd i f f e r e n ti n t e n s i t i e so f c o n v e c t i o ni sr e a l i z e db y c o n t r o l l i n gt h ep o w e ro ft h es i m u l a t i v ee l e c t r o n i cc h i pa n da i rv e l o c i t yc o m i n gf r o m t h ea i r - s u p p l y i n gs y s t e m as e r i e so fe x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u t ，u s i n gt w od i f f e r e n t m a t e r i a l sa n dc o n f i g u r a t i o n s t h e n ，w es t u d i e dt h ec h a r a c t e r i s t i co fh e a td i s p e r s i n g ， a n da n a l y s i z e dt h es t e a d ys t a t ea n dt r a n s i e n tp r o c e s s e so fs u d d e nj u m ph e a t i n ga n d c o o l i n ga tt h es a m et i m e ，w ec a ng e tt h ec o m p a r i n gr e s u l t sa b o u tt h ec h a r a c t e r i s t i co f t h et w oh e a cs i n k s t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e dt h ep o s s i b i l i t yt os e tu pas t a n d a r dt e s t i n ga n de v a l u a t i n g m e t h o df o rd e t e r m i n i n gt h ep e r f o r m a n c eo f h e a ts i n k s ，b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ld a t a f u r t h e r m o r e ，t h i sp a p e rg i v e st h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h ee v a l u a t i n gm e t h o d t h e a u t h o rp r e s e n t sas e r i e so fm e t h o d st h a ta r eu s e dt oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eu s i n g a v e r a g eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t ，d i m e n s i o n l e s sr e l a t i o n s ，t h e r m a l r e s i s t a n c ea n d t h e o r e t i c a la n a l y s i so f t r a n s i e n tp r o c e s s e s a l lt h ea b o v ea c h i e v e m e n t sh e l pt op r o m o t et h es t u d ya b o u ts t a n d a r dt e s t i n ga n d e v a l u a t i n go fh e a ts i n k s ，a sw e l la si tc a nb eu s e dt od e s i g na n do p t i m i z i n go fh e a t s j n k s 关键词h e a ts i n k ；s i m u l a t i v ee l e c t r o n i cc h i p ；p e r f o r m a n c et e s t i n g c h a r a c t e r i s t i co f h e a td i s p e r s i n g i l 独创性声明 本人声明所成交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。于我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名 关于论文使用授权的说明 f i _ 1 期：o t 万fo 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 导师签名：1 中认f 期：。尸j ，。 ，、争白ok中j 1 潜 名签 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 现代电子计算机技术迅猛发展，从s s i 和m s i ( 小中规模集成) 到l s i ( 大 规模集成) 到v l s i ( 超大规模集成) ，一方面芯片的日益数量增加，另一方面芯 片中晶体管的数量越来越多，晶体管的数量从3 8 6 的2 7 5 万颗发展到今天p 4 的 5 0 0 0 多万颗，而且芯片的主频不断增加，在从今往后的l o 年里，处理器将向3 0 g h z 的主频冲刺，从而使计算速度将达到每秒1 万亿次。越来越多的晶体管及其越来 越高的频率意味着越来越强的电流、越来越高速的电信号及其越来越多的热量被 集中在越来越小的芯片空间内。据分析，若继续沿用现有的设计技术生产出3 0 g h z 主频的处理器芯片，那么它运行时产生热量的速度将与一座普通核电厂的反应堆 功率相当。 电子芯片功耗的日益增大导致了其表面热流密度越来越高“1 。由于微处理器 尺寸愈来愈小，其有效的散热面积越来越小。如果不加散热装置或采取别的措施 对其进行有效的冷却散热，那么其本身温度必然会急剧上升。可以迅速升至2 0 0 以上，甚至达到或超过3 0 0 。c 。然而，即使是工业芯片，最高工作温度也只有 1 2 5 。 电子计算机一般采用几十种电路组件，其芯片电路大都为c m o s 电路，这种 电路具有明显的温度效应。过高的温度会影响它的工作性能( 尤其是计算速度) 与可靠一陛( 尤其是机器连续运行时间及使用寿命) “。资料显示，电子器件的 失效率随着温度增加按指数规律增加。5 0 以上的电子产品的失效是由于对传热 处理不当所致。 对于计算机来说，温度升高会使其运行速度下降，降低使用寿命，而且有可 能会使计算机存储的数据资料的安全性受到影响，造成死机、甚至烧毁芯片。用 i n t e l 公司微处理器研究实验室负责人的话说，高频处理器产生的热量简直就是 阻碍它发展的一堵墙。及时的散热能使电脑更稳定有效的工作，延长其使用寿命。 芯片散热是制约计算机技术发展的关键问题之一。完善的热设计能大大地提高电 子芯片的可靠性，并能大大地节约运行费用、增加使用寿命i “。 北京工业大学工学硕士学位论文 提高电子系统性能、增强其可靠性和维持芯片温度在适合的范围内的考虑是 应用冷却技术的关键因素。我们需要采取适当的措施使集中在芯片中的热量及时 地散发出去、降低芯片温度，保证电子元器件的温度在合适的温度范围内。 6 0 年代晚期和7 0 年代中期，就已经有对电子元器件冷却方式的研究，那时 候人们已经意识到为了提高电子元器件的性能需要对其进行冷却的重要性。早期 3 8 6 、4 8 6 时代的c p u 由于热功耗仅为3 5 w ，不需要任何的散热措施就可以工作， 所以那时候的c p u 可以直接焊接在主板上或安装在插座中，被c p u 加热的空气自 动流向周围温度较低的空间，这种靠空气自然对流进行散热的方式称为被动式散 热，即自然风冷散热。这种散热的成本很低且几乎不需要进行维护。进入3 8 6 d x 4 和p e n t i t i m 时代后，c p u 的发热量已经增加到l o w 左右。在p e n t i t i mc p u 的表面 贴上了金属散热片，同样的采用自然风冷进行散热就可以满足实际要求。随着 c p u 频率的进一步提高，被动式自然风冷已经无法满足c p u 对散热的需要，于是 电子冷却技术便进入了主动散热的时代，即在c p u 的表面安装了带风扇的散热器 用风扇加强散热，也称为主动式强制风冷散热。 计算机技术的提高加速了新型的散热器的开发和应用。目前，多种型式、不 同原理的散热器逐渐在市场上出现，诸如半导体制冷、液体冷却、热管散热等。 最简单、最直接、最可靠、成本最低、最安全、最普及的散热方式仍然是应用散 热器的强制风冷散热。对于风冷散热，当c p u 温度比较低时，如频率在1 g h z 以 下时，一般散热器在不大的空气流量下足以解决散热问题。随着c p u 频率的增加， 本身温度会增大，需要迅速散失的热量急剧增加。应用散热器进行散热时，散热 器尺寸的线性增大并不会使c p u 散失的热量线性增加，而且会使散热效率降低， 因此仅仅增加散热器的尺寸是不明智的，需要对散热器的散热进行整体的优化设 计“3 。 随着电子芯片热负荷的增加和电子芯片尺寸的减小，对于热能工程师来说， 电子设备的热管理是一项具有非常重要实际意义的工作，也是一项极富挑战性的 工作。 1 2 研究现状 1 2 1 电子芯片冷却散热的方式 第1 章绪论 电子设备的冷却方式很多，包括空气冷却( 分为自然冷却和强制冷却) 、液 体冷却( 有直接液体冷却和问接液体冷却等) 、相变冷却、半导体制冷、热管散 热、复合冷却系统等。许多研究者致力于散热方式的探索，并将研究成果进行了 实际应用。例如，液体冷却中的热传导模块t c m 已经经过了很多代的改进，技术 上不断更新以满足芯片组的功耗增大带来的散热需求。 电子设备的冷却方式很多，包括空气冷却、液体冷却( 有直接液体冷却和间 接液体冷却等) 、相变冷却、半导体制冷、热管散热、复合冷却系统等。 ( 1 ) 空气冷却包括自然冷却和强制冷却自然冷却的方法由于不需加动力 ( 如风机泵或压缩空气等) ，故无机械部件失效和损坏的问题。一般用于功率密 度不高的电子设备中。强制空气冷却方法应用极为广泛，尤其是普遍应用在对 c p u 芯片的冷却降温。当电子设备的功耗密度超过0 1 5 5 w c m 2 ，电子元器件功耗 超过1 0 w 时，仅靠自然冷却是不够的，一般需考虑采用强制空气冷却的方法”1 。 强制风冷技术的优点在于减少了空气冷却系统的体积，具有更高的元器件密度和 更高的热点温度；同时由于介质为空气，不必考虑冷却介质的更换及泄漏；可靠 性高；便于维修：只需增加风扇等较低的成本即可进行冷却。射流冲击冷却可用 于芯片级的冷却，它可以使芯片直接受到“新鲜”冷却空气的直接冷却，它是以 降甄甄豫鸺嚣 图1 - 1 气体射流冲击的通用结构 f i g u r e1 1c o m m o nc o n f i g u r a t i o no f g a si m p i n g e m e n t 高速气流喷射冲击到散热表面的一种可获得高换热系数的冷却方式。实际应用的 计算机芯片散热采用的就是类似于射流冲击的方式来进行的，通过散热风扇产生 一定流速的空气冲击散热片实现对芯片的散热。 ( 2 ) 液体冷却液体冷却的优点是：可以利用较小的功率消耗达到液体的 循环流动、工作噪声很小、可以利用多种方式完成散热过程。液体冷却系统的热 负载能力很大，因此c p u 工作温度曲线非常平缓，而且通过液体在管路罩的流动 北京_ ：r = 业人学工学硕j j 学位论义 实现热量的定向转移。包括：直接液体冷却( 指发热的电子元器件直接与冷却剂 相接触，热量由冷却剂的传给机柜，再由机柜与周围环境进行热交换) 和间接液 体冷却( 指发热电子元件不直接与冷却剂接触，而是通过一种称为“冷板”的装 置间接来进行热交换) 。间接液体冷却技术上研究最多的是热传导模块t c m ( t h e t h e r m a lc o n d u c t i o nm o d u l e ) ”。t c m 的发展经历了几代，主要是从减少热阻、 小型化、最优化的角度上考虑。最近一代强化冷却技术可用于冷却最大功率2 7 w 的芯片和最大功率2 0 0 0 w 的模块，可以保持装置的平均温度为5 0 和最大电路 温度小于7 5 。 ( 3 ) 相变冷却相变冷却是利用物体发生相变的过程，如固相至液相、液 相至汽相或固相至气相，伴随着的吸热或放热的现象，进行冷却。液体蒸发冷 却可提供高达2 k w c m 2 换热量，成为目前最有效的冷却方式。它包括直接浸渍蒸 发冷却、喷雾冷却和间接蒸发冷却。 ( 4 ) 半导体制冷( 也叫热电制冷) 它是热电效应( 主要是帕尔贴效应) 在制冷技术方面的应用。热电制冷器实现了热量从低温物体到高温物体的迁 移。冷面温度可以低于环境温度，有的甚至可以达到0 以下，而且无运动部件， 制冷迅速。但是发热面温度相当高，需要一个好的散热风扇或水冷散热器散热， 如果发热面温度控制不好反而适得其反。同时，由于制冷面的温度比环境温度 低，很容易出现结露的情况，而且它的耗电量相对较大。所以在使用上，还是 有一定的限制。目前，主要的半导体和计算机厂商已经开始对低温冷却技术产 生了很大的兴趣，一些厂商还将冷却技术纳入到产品规划中。 ( 5 ) 热管散热由于导热性能好，热管散热对对流的要求小一些，没有噪 音污染。但它必须有主动散热方式作为辅助，而且此被动散热方式受环境的制 约( 如环境温度，外部传导，空气对流等) 。所以使用条件比较苛刻，需改善环 境湿度，使温差保持到比较大的水平上。 现在，有很多冷却系统是将不同的散热方式结合起来，充分利用不同方式 的有点，从而可以更有效的达到散热的目的，被称为复合冷却系统。“。例如， 热电一热管复合冷却系统就是一种这样的系统。 通过对以上冷却散热方式的比较可以获得在h 前的台式计算机芯片上利 用空气冷却散热器进行散热的强制对流的主动散热方式最为广泛。它们简单、直 第1 章绪论 接、性能可靠、成本最低。多种型式、不同原理的强制风冷散热器逐渐在市场上 出现。散热器和来自风扇的空气射流用于将芯片运行中产生的热量迁移出去。 1 ，22 散热器散热问题分析 目前，研究电子元器件的冷却散热一般从以下几个层次上分析：集成电路封 装及单芯片( 或组件) 的散热、印刷电路板散热、系统散热、房间的散热等“。 n * 。珐驯， 图1 - 2 电子元器件的散热 f i g u r e1 - 2e l e c t r o n i ce q u i p n t e n tc o o l i n g 本文主要针对芯片层次的散热进行分析，探求最直接的、最有效的计算机散 热的相关问题。 1 23 散热器散热性能的研究及缺陷 对于芯片的散热的研究更多的是关注流速和结构尺寸对冷却效率的影响。例 如，a k em a l h a m m a r 研究了散热器的优化。他研究了芯片表面和环境之间的温度 差、肋间距、肋片厚度、空气来流速度等参数对散热器的散热量的影响“”1 “ 周宣辉给出了简单的快速地确定肋间距的优化值的方法。a ，d v i n s k y 、 a b a r c o h e n 及m $ t r e l e t s 等对不同布置的针形肋片内部的气流流动状况进行 了研究“。a k em a l h a m m e r 和r o b e r te s i m o n s 等对气流旁通散热器时散热器 内部的气流的流动状况进行了研究。“。”。以上对散热性能的分析主要是针对结 构形式比较规则的散热器。实际上，现在市场上的计算机c p u 散热器的结构形状 很不规则，我们需要寻找出合理的分析不规则的散热器的散热性能的方式。 北京工业大学工学硕士学位论文 很多学者对散热肋片的传热状况进行了理论研究。他们从等截面直肋入手， 分析了等截面直肋的温度分布、通过肋表面的散热量及其肋片效率。这些成果为 形状复杂的多肋片散热器的研究提供了很好的思路。有的学者对换热系数及其准 则关联式进行了研究，对理论研究模型进行了简化获得了一些成果，这些研究 对分析计算机芯片散热器有一定的借鉴意义。例如，台式计算机上应用的c p u 散 热器的实际情况，风扇吹出一定速度的空气冲击散热器，可以近似按照射流的分 析方式研究。s o h l u n d e r 和g n i e l i n s k i 综合了有关文献的数据，给出了一个单 一圆形射流和形射流矩阵的经验关联式。对于多肋片散热器，特别是针肋散热器， 可以将空气射流按照多射流的分析方式来处理。s a t h e 和s a m m a k i a ( 1 9 9 5 ) 对专一 高性能空气冷却射流冲击散热器进行了研究”，通过一些集中的关于散热器性能 的数值计算，并为实验数据所证实，发现移动一些散热器中心的肋材料，散热器 基端附近气流速度会增加，在那些区域，相应的会增加热的传输。因此，通过改 进散热器的中心、空气流动性能参数可以改善散热的散热性能。曹玉璋、邱绪光 及其w m 罗森诺等对瞬态传热进行研究，我们可以借鉴用于散热器的瞬态散热 效果的研究。热阻在散热器的性能分析中是非常重要的参数，周宜辉对散热器的 热阻进行了分类分析“”。我们可以从热阻的角度比较不同的散热器的散热性能。 随着计算机技术的发展和电子芯片散热的需求的增大，散热器市场异常活 跃，不同形式的散热器相继涌现。由于散热器的材料种类繁多、结构形式的纷繁 复杂等诸多原因，导致散热器性能不一，良莠不齐。于是对不同的散热器的性能 的比较就显得特别重要。目前，针对台式计算机芯片散热器的散热性能的检测方 式比较简单，缺少统一的或公认的、规范的检测方法。现在有许多关于计算机中 电子元件散热特性的文章，文中的测试数据是应用不同的装置、不同的测试软件 的测试结果，所得的数据重复使用得可能性很小，而且还没有标准的界定散热器 性能的方法。国内外尚缺乏有关这一问题的专门研究，特别是全面考察台式计算 机中微处理器散热器的热特性的资料还比较缺乏。故工业领域急需标准的测试散 热器性能的方法和标准的可以测出统一应用的数据的实验装置。o 2 “c h r i s t i a n b e l a d y 提出关于测试装置标准化的概念并提出了管道输送模型”“。当前，台式 计算机上应用的c p u 散热器的实际情况是应用j x l 扇使一。定速度的空气冲击散热 器来进行散热，针对这一模型，我们设计了一个比较标准的装置，可以对不同的 第1 章绪论 散热器进行性能测试。 对散热器的性能进行标准的检测是评价散热器的好坏、也是迸一步对散热器 进行优化设计的关键。对此进行立项研究具有重要的实际意义，同时具有较高的 学术价值。 1 3 本文主要研究内容 本课题主要进行了商业散热器在自然对流和强制对流下的热特性的研究。本 文分析了目前台式计算机上广泛应用的强制空气对流主动散热方式。 由于散热器的材质不同、结构形状并不规则，且考虑到现在研究应用领域的 实际情况，我们需要建立统一的对这些散热器的散热性能进行测试的方法。而且 应该探求标准的针对散热器的散热性能的理论分析及其性能评价方法。 本文搭建了一个比较合理的标准测试平台。采用一定材料和结构的散热器， 将一定流速的空气冲击到散热器上，实现对模拟电子芯片的强化散热。应用实验 装置进行了一系列的测试。通过对模拟微处理器芯片表面的测试，获得了在不同 状况下的性能参数。实验研究了一定流速和模拟芯片加热功率下的稳态过程。根 据电子芯片实际应用过程中可能出现的问题，对不同流速下的急剧加热和冷却的 瞬态过程也进行了大量的实验研究。实验获得一些实验数据，并进一步进行分析 用以评估功率和来流速度对散热过程的影响。同时，文中对散热器的散热性能进 行了理论分析。在稳态过程的分析中，获得自然对流和强制对流下的平均换热系 数关系式、准则关联式、热阻关系式等，它们可以被应用于评估散热器的性能： 在瞬态过程( 被认为是下一代电子系统热管理的关键部分之一) 的理论研究中， 获得不同流速下不同散热器的散热过程的瞬态理论公式。本文应用建立的检测方 法及其性能评价方法对两种散热器进行比较，检验其实际应用效果。 总之，本文力求建立标准的针对散热器的散热性能的检测方法，对标准的散 热器性能的评价方法进行了积极的探索，为下一步的深入研究打下坚实的基础。 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章电子芯片散热器简介 强迫空气冷却方法应用极为广泛，利用散热器对p c 机的c p u 散热是最常 见、最适合大众用户的种散热方法。它安装、拆卸简单易行。在此，我们对电 子芯片散热器作简单的介绍。对散热器的分析评价需要基于以下介绍的基本特 性，在此基础上作进一步的全面的分析。 2 1 台式计算机散热系统的组成 款散热器( 见图2 一1 ) 的组成一般包括散热块( 或者称为散热片) 、散 热风扇及扣具。有的比较特殊的风扇还带有垫片和导风板。 幽2 一l 散热器 f i g u r e2 - 1h e a ts i n k 2 1 1 散热片 散热片是整个散热器中最主要的部分，散热片的好坏左右着散热器的散热效 果。 ( 一) 散热片的材质 散热片的热传导性能与其材料有相当大的关系。散热片的材料有：铝合金、 冷锻铝、纯铜等金属材料。它们一般都是热传导性能好的材料，但岜有区别，纯 铜导热性能较理想，铝的导热系数是铜的1 2 ，钢约是铜的1 7 。制造散热器的 最普遍的材料是铝合金，近年来铜质散热器越来越多。将这两种不同材质的散热 器的散热性能进行全面的比较是非常有必要的。首先，铝散热器重量比较轻，可 塑性比较好，而且不易被氧化；铜捌有高热容量、高导热能力、热量分布更为均 匀。其次，对于电脑用户来说，需特别关注散热片的瞬间吸热和散热器的综合性 能。铜的瞬间吸热能力优于铝台金，但铜散热的速度较铝合金慢。最后，与铝材 比较，铜材价格昂贵，易氧化，重量大，并且难以挤压成形，在加工时，必须采 用黏结技术，而该技术目前还很不成熟和完善，由此导致其加工难度大，加工成 本高。从一定意义上说，铝材才是散热片材料的最佳选择。 要应付瞬问发热量和持续发热量较大的处理器，一些商家采取铜吸热并将热 量传到铝合会，然后由风扇产生的气流带走的处理方式，也称为铝铜结合技术。 现在流行种镶嵌技术，在散热片底部加入一个金属铜片( 一般半径为2 c m ) 。 这一技术也叫铜底技术，即在铝合金散热器底部以贴片、冷锻或铝铜镶嵌方式加 入铜。通过在紧凑式散热器( c o m p r e s s e dh e a t s i n k ) 的底板上镶嵌铜片，一定 程度上可以提高散热器的散热性能。铝、铜结合技术的优点：首先，铜的导热系 数是铝合金的两倍，因此，底部安装了铜板后，能将c p u 核心这个较小的散热面 上产生的热量迅速传递到散热器的底部，然后再被上面大量的铝柱吸收，最终被 风扇吹走。此外，铜板本身的热容量较大，还能起到吸收c p u 瞬间发出的热量， 克服这种瞬间发出的高热量对c p u 稳定性的破坏。 ( 二) 散热片的形状 c p u 散热器中的散热片的最大作用是扩展c p u 表面积，从而提高c p u 的热量 散失速度。在材质被决定之后，如何使表面积最大化成为最重要的设计重点。要 整体上考虑散热器的形状。，不能忽略散热片的厚度和高度。此外，好的散热片 也不会忽视底部的金属板厚度( 一般0 6 - 1 3 c m ) ，通常必须保证一定的厚度， 才能使热传导的效率更高。“。散热器的整体尺寸也会不同程度上影响散热“1 。散 热性能不会随散热器长度线性增加( 反映了散热器重量的增加) ，它们之间符合 指数规律。例如，散热器长度增大到原来的2 倍( 相应地重量增大到原来的两倍) ， 然而散热性能只增加了1 6 。目前，散热器的肋片外形各异，有的设计成辐射 状向四周展开；有的采用倒三角形，底部小巧，肋片向四周扩展：有的设计成柱 状，如日本的a l p h a 散热器p a l 8 9 4 2 t 的肋片是一根根六角形铝柱，总共5 3 0 根， 而且又密又细。我们有必要关注不同的散热器形状对散热的影响。 此外，散热片的制造工艺及其精细程度会影响散热器的散热效果。 北京工业大学工学硕卜学位论文 2 1 2 散热风扇 风扇是最常用的风冷设备，是电子设备散热不可缺少的。它提供一定风量风 压的气流，在气流与散热片表面之间进行强制对流散热，通过空气把传递到散热 片的热量及时带走。电子设备冷却用的风扇种类大致可分为轴流风扇和离心风 扇。其中前者应用最为普遍。总体上来说，主要是针对降低噪音、增大风量的角 度上进行设计和应用“”。风扇的主要性能参数和指标：1 、额定工作值：指它的 额定工作电压、电流、额定功率，；2 、扇页：一般来说扇页越多，风扇的风量会 越大，声音也会变大，不过因为风压和风阻的关系同等功率的多扇页风扇的转速 往往比少扇页风扇的转速低，声音方面也会比较安静。3 、风扇口径：在允许范 围内，风扇的口径越大，那么该j x l 扇的出风量也就越大，风力效果的作用面也就 越大，出风量也就越大。4 、转速：通常在一定的范围内，风扇的转速越高，它 向c p u 传送的风量就越大，c p u 获得的冷却效果就会越好。但如果转速过高，风 扇在高速运转过程中可能会产生很大的噪音；风扇在长时问超负荷运作之下，本 身产生热量也会增高，时间长了还可能会缩短风扇寿命；较高的运转速度需要较 大的功率来提供“动力源”，而高动力源又是从主板和电源中的功率中获得的， 一旦超出主板的负荷就会引起系统的不稳定。而且，散热效果的提升随着流速的 增大越来越不明显。当风速为低中速时速度对散热的影响和高速时速度对散热的 影响并不相同。这在实验中已经验证。因此，我们在选择风扇的转速时，应该根 据c p u 的发热量决定。5 、噪音：衡量风扇质量高低的另一个外在表现是噪音大 小。通常风扇功率越大，转速也就越快，此时噪声也越大。当然，风扇嗓音也取 决于风扇的转轴润滑效果。此外，风扇本身的设计也决定了噪音的大小。现在很 多散热器设计都有这样一个误区，认为只要风量大就行。但是随着风量的增加， 也会带来一系列的问题。如噪音问题及其风扇的寿命问题。6 、风扇排风量：风 扇排风量可说是一个比较综合的指标，是衡量一个风扇性能的最直接因素。 采用强制空气冷却系统，要讨论系统阻力特性和风机特性的匹配。如果风 扇太小，电子器件过热而失效，如果风机过大，仪器町能不会凶为过热而影响工 作，但风机选的过大，使系统重量增加，提高购置成本，以及增加同常运行功率 和费用，甚至噪声过大，风扇耗电量增加而实际作用效果并无明显提高等。风扇 必须和散热器达到最佳的配合，风扇的曲线和系统阻力特性曲线决定风扇系统的 气流，决定通过散热器的流量“4 3 。 2 1 3 扣具 图2 - 2 扣具示意幽 f i g u r e2 - 2f a s t e n e rs k e t c hm a p 扣具是固定散热器和c p u 插槽的工具，扣具的压力大小会影响散热效果。压 力过大，就非常容易将c p u 的核心压坏；反之，扣具太软则容易引起变形，造成 接触不好，空间热阻增大，散热效果降低。扣具设计时最关键是产生规定压力来 让散热器与c p u 保持良好的接触，减少接触热阻。 2 1 4 导热硅脂 为了减少接触热阻，同时避免散热器与c p u 内核直接接触时因摩擦而造成芯 片表面的破坏，需要在散热器和芯片表面之间添加导热硅脂。硅脂中含银量的高 低决定硅脂的质量的高低。导热硅脂的使用效果非常明显，而不同种类的硅脂间 性能的差别不大。 2 2 台式计算机散热系统的整体散热解决方案 在计算机中，机箱是最大的散热片，要考虑整体散热的技术。事实上，在笔 记本电脑中，热量就是通过各种形式散发出去，包括内部金属框架、底面板甚至 键盘。 其实，电脑机箱内部高发热量的部件现在是越来越多了。某些显卡上图形芯 片上的晶体管数量超过了c p u 的，集成度相当高；高速硬盘和各种板卡，其功耗 都比以往增加了不少；光驱也会产生大量的热；主板上有各种电源供电电路也容 易产生热量：电脑整机的a t x 电源工作时也会产生大量的热。所以，我们除了解 决c p u 的散热问题，还要考虑其它部件甚至整个电脑系统的散热问题。如可以考 北京工业大学工学硕士学位论文 虑用机箱内a t x 电源内部的电源风扇，将冷空气从机箱前面板的下部吸入，经过 机箱的中部被加热后再从顶部的电源内排出机箱，同时对电源本身进行散热，这 种空气流动的路径称为立式机箱的主风道，能够最大效率的将机箱内的热量及时 的散发出去。 2 。3 本章小结 本章对计算机散热系统进行分析，从不同的角度分析散热系统的组成及其进 行散热性能的改善的方法。首先，描述了采用强追空气冷却方法进行台式计算机 散热的组成。一款散热器的组成一般包括散热块( 或者称为散热片) 、散热风 扇及其扣具等。散热片的材质、形状、制作方法等都会影响其散热性能，选择合 适的材质、形状、制作方法会改善散热器的散热。风扇分为轴流风扇和离心风扇 等，风扇的主要性能参数和指标主要包括：额定工作值、扇页、风扇口径、转速、 噪音、风扇排风量等。此外，要考虑系统阻力特性和风扇特性的匹配问题，以确 定风扇是否在最佳效率点工作，从空气流动的角度上对散热性能进行优化。扣具、 导热硅脂也会影响散热。在进行性能分析时是必须考虑的基本因素。在本章的最 后，分析了台式计算机散热系统的整体散热解决方案，衡量一个计算机散热系统 的优劣，需要对散热的整体解决方案进行评定。 第3 章电子芯片散热器散热特性的测试装置 3 1 测试研究的必要性 研究者对电子元件冷却及其散热器的散热特性已经进行了大量的研究。但是 针对电子芯片散热器性能的评定的测试方式还比较简单，测试所得数据都是针对 具体设备的，不具有通用性，重复使用的可能性很小。迄今为止，还缺少标准的 界定散热器性能的方法。因此，搭建一个标准的测试平台，合理地对散热器的性 能进行标准化的比较日益成为一个突出的问题。 b e l a d y 提出了测试装置标准化的概念”“。运用风道装置对作为自由流速函 数的热阻进行测量。如图3 1 所示： v 旁通速度 氅i v 驾度 i 散热器i 一 l。j，一图3 - i 风道装置 f i g u r e3 - iw i n dt u n n e lc o n f i g u r a t i o n 运用所采集到的信息，可预测他们的系统中的散热器的性能。例如，可以运 用如下的公式计算风道中散热器的热阻： 县 = ( 一矗) 馥 ( 3 1 ) 式中i 电子元件表面温度( ) ；l 通过散热器的气流温度( ) 幺电子元件功耗( w ) ：r 散热器的热阻( 。c w ) 这是一种简单的测试散热器性能的方法。但该方法有许多局限性。事实上散 热器的性能不仅与自由流速、本身尺寸有关，还与风道尺寸有关。在一定的给定 自由流速下，对于不同的风道和散热器散热器内部的空气流速不同。通过此装 置获得的测试，实际上显示的是风道一散热器系统的特性，而非单纯的散热器的 特性。由于测试存在的问题，因此，比较散热器之间的性能是困难的。散热器a 可能在大的风道中表现出的性能比散热器b 优越，但在小风道内，结果可能正恰 恰相反。而且，风道测试的结果在再次使用的可能性方面受到限制。除非设备相 1 1 北京工业大学工学硕士学位论文 同，一个制造商的数据不能应用于另一制造商。 基于以上弊端，工业上急需标准的方法说明散热器的性能，并提供可用于所 有设备的数据。这样散热器可进行一次测试，测试数据可反复使用，而且由于不 必比较不同风道尺寸，所以测试快捷。测试可以独立进行，制造商可以提供统一 的数据。对于系统设计者来说，他们可以很容易的将散热器的性能用到研究中。 图3 2 显示了紧密槽道测试模型。 v 散热撇 黜、 散热器 图3 - 2 紧密槽道测试模型 f i g u r e3 - 2c l o s e l yd u c t e dw i n dt u n n e lc o n f i g u r a t i o n 此时来流速度可以作为一独立变量。现在一些公司已经应用了此装置测试散 热器。如h p 公司。下面是h p 公司用于测试的流动腔： 图3 - 3 散热器测试装置简图 f i g u r e3 - 3s c h e m a t i co f h e a ts i n kt e s tf i x t u r e 一定来流速度的气流通过流动腔中的散热器，用来散发掉加热块中产生的热 量。运用图3 3 所示的装置，流速可以很简单的被确定。热阻可用来作为体积流 量的函数而被测出。实验证明了此测试装置的有效性。 随着计算机工业从相对简单的系统( 如象p c 单处理器系统) 向更为复杂的 系统( 如含有更多的处理器和其它重要元件) ，设计者致力于系统问题的研究。 因此，需要更有效的、结构更简单的测试装置，使测得的数据可重复使用。这就 需要独立于应用的性能测试。 3 2 实验设备及实验方法 在实验中，我们采用了模拟p c 微处理器芯片，对c p u 芯片的实际工作过 程进行模拟。同时，采用空气冷却中的强迫空气冷却措施对模拟微处理器芯片进 行散热，测试获得在不同状况下性能参数。 3 2 1 实验装置 我们采用的实验装置参见图3 - 4 所示。使用了模拟微处理器芯片发热的加热 片，将上面均匀布置数个热电偶的铜片置于加热片上。实验中利用电压控制模拟 芯片的功率，采用两种不同型号的散热器对模拟的微处理器芯片进行空气冷却散 热。 叵虱u 图3 4 实验装置示意图 1 空气压缩机2 储气罐3 恒温水槽4 阀门5 气体流量计 6 宣流稳压电源7 送风管道8 模拟芯片及散热器g 数据采集系统1 0 计算机 f i g u r e3 4s c h e m a t i co f t h ee x p e r i m e n t a la d p a r a t u s 1 a i rc o m p r e s s o r2 d e p o s i t e d - g a st a n k3 c o n s t a n t t e m p e r a t u r ew a t e rc o n t a i n e r 4v a l v e5g a sf l o w m e t e r6 d i r e c t c u r r e n ta n dc o n s t a n tv o l t a g ep o w e rs u p p l y 7 b l a s tp i p e8 ，s i m u l a t e de l e c t r o n i cc h i pa n dh e a ts i n k9 d a t al o g g e r1 0 c o m p u t e r 圈3 - 5 模拟芯片及散热器示意图 1 保温底盒2 绝热板3 加热片( 模拟电亍二芯片) 4 云母片5 导热测温扳6 散热器7 送风管道8 热咆偶 f i g u r e3 5s c h e m a t i co fs i m u l a t e de l e c t r o n i cc h i pa n dh e a ts i n k 1 h e a t i n s u l a t e db o x2 a d i a b a t i cb o a r d3 h e a t e r ( s i m u l a t e de l e c t r o n i cc h i p ) 4 m i c as l i c e5 h e a t c o n d u c t i n gb o a r d6 h e a ts i n k7 b l a s tp i p e8 t h e r m o c o u p l e 羽 j 奎：；些銮兰王兰鳖j ：兰堡鲨兰 图3 - 6 加热片 f i g u r e3 - 6h e a t e r 图3 7 试验装置中的加热片结构示意图 f i g u r e3 - 7s c h e m a t i co f h e a t i n gi nt h et e s t i n ga p p a r a t u s 图3 8 实验装置中的加热片及其部分保温结构示意图 f i g u r e3 - 8s c h e m a t i co f h e a t i n ga n d p a r to f i n s u l a t i o n i n t h e t e s