计算机散热器)

  • 时间:2021-01-26 01:54
  • 作者:十博
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  将机械或其他器具在工作过程中产生的热量及时转移以避免影响其正常工作的装置或仪器。常见的散热器依据散热方式可以分为风冷,热管散热器,液冷,半导体制冷,压缩机制冷等多种类型。

  计算机部件中大量使用集成电路。众所周知,高温是集成电路的大敌。高温不但会导致系统运行不稳,使用寿命缩短,甚至有可能使某些部件烧毁。导致高温的热量不是来自计算机外,而是计算机内部,或者说是集成电路内部。散热器的作用就是将这些热量吸收,然后发散到机箱内或者机箱外,保证计算机部件的温度正常。多数散热器通过和发热部件表面接触,吸收热量,再通过各种方法将热量传递到远处,比如机箱内的空气中,然后机箱将这些热空气传到机箱外,完成计算机的散热。 散热器的种类非常多,CPU、显卡、主板芯片组、硬盘、机箱、电源甚至光驱和内存都会需要散热器,这些不同的散热器是不能混用的,而其中最常接触的就是CPU的散热器。依照从散热器带走热量的方式,可以将电脑的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,热管,液冷,半导体制冷,压缩机制冷等等。

  散热片材质是指散热片所使用的具体材料。每种材料其导热性能是不同的,按导热性能从高到低排列,分别是银,铜,铝,钢。不过如果用银来作散热片会太昂贵,故最好的方案为采用铜质。虽然铝便宜得多,但显然导热性就不如铜好(大约只有铜的百分之五十多点)。 常用的散热片材质是铜和铝合金,二者各有其优缺点。铜的导热性好,但价格较贵,加工难度较高,重量过大(很多纯铜散热器都超过了CPU对重量的限制),热容量较小,而且容易氧化。而纯铝太软,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。有些散热器就各取所长,在铝合金散热器底座上嵌入一片铜板。 对于普通用户而言,用铝材散热片已经足以达到散热需求了。

  散热方式是指该散热器散发热量的主要方式。在热力学中,散热就是热量传递,而热量的传递方式主要有三种:热传导,热对流和热辐射。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。比如,CPU散热片底座与CPU直接接触带走热量的方式就属于热传导。热对流指的是流动的流体(气体或液体)将热带走的热传递方式,在电脑机箱的散热系统中比较常见的是散热风扇带动气体流动的“强制热对流”散热方式。热辐射指的是依靠射线辐射传递热量,日常最常见的就是太阳辐射。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,共同起作用的。

  实际上,任何类型的散热器基本上都会同时使用以上三种热传递方式,只是侧重点不同罢了。比如普通的CPU散热器,CPU散热片与CPU表面直接接触,CPU表面的热量通过热传导传递给CPU散热片;散热风扇产生气流通过热对流将CPU散热片表面的热量带走;而机箱内空气的流动也是通过热对流将 CPU 散热片周围空气的热量带走,直到机箱外;同时所有温度高的部分会对周围温度低的部分发生热辐射。

  散热器的散热效率与散热器材料的热传导率、散热器材料和散热介质的热容以及散热器的有效散热面积等参数有关。

  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、热管、液冷、半导体制冷和压缩机制冷等等。

  风冷散热是最常见的,而且非常简单,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、安装简单等优点,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。

  热管是一种具有极高导热性能的传热元件,它通过在全封闭真空管内的液体的蒸发与凝结来传递热量,它利用毛吸作用等流体原理,起到类似冰箱压缩机制冷的效果。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。由于其特殊的传热特性,因而可控制管壁温度,避免露点腐蚀。

  液冷则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、对环境依赖小等优点。但热管和液冷的价格相对较高,而且安装也相对麻烦一些。

  在选购散热器时,可以根据自己的实际需求以及经济条件来选购,原则是够用就好。

  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=α X A X ΔT,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。

  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,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。

  其生产工艺与窑具的生产工艺基本相同,导热性与抗氧化性能是材料的主要应用性能。它的原理是把陶瓷散热器放置在离烟道出口较近、温度较高的地方,不需要掺冷风及高温保护,当窑炉温度为1250-1450℃时,烟道出口的温度应是1000-1300℃,陶瓷换热器回收余热可达到450-750℃,将回收到的的热空气送进窑炉与燃气形成混合气进行燃烧,这样可以降低生产成本,增加经济效益。

  陶瓷换热器在金属换热器的使用局限下得到了很好的发展,因为它较好地解决了耐腐蚀、耐高温等课题,成为了回收高温余热的最佳换热器。经过多年生产实践,结果表明陶瓷换热器效果很好。它的主要优点是:导热性能好,高温强度高,抗氧化、抗热震性能好,寿命长,维修量小,性能可靠稳定,操作简便。是回收高温烟气余热的最佳装置。

  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”其实并非是线%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。针对13年市场上大多数的纯铜散热器的含铜量都介于两者之间。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 )等问题。

  在考虑了铜和铝这两种材质各自的缺点后,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,而散热鳍片则采用铝合金。当然,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。

  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。散热片选用较高热传导系数的材料对提高热传导效率很有帮助。通过热传导系统对照表可以看出,如铝的热传导系数237W/mK,铜的热传导系数则为401W/mK,而比较同样体积的散热器,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,铜质散热器可以比铝质散热器容纳更多的热量,升温更慢。同样厚度的散热器底座,铜不但可以快速引走热源如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。

  不过,这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,这往往也体现了厂商的设计能力与制造工艺。

  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。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,否则不但不会提升散热效能,反而会使其比全铝合金的散热片更加糟糕。

  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。

  制造的主要工序有: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。

  贴片工艺的重点在于控制好铜、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。

  塞铜主要有两种方式,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,甚至会妨碍散热。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强。这种设计也是OEM采用较多的。

  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。

  在铝的散热片底部加工一个直径ψ=D1的圆孔,另外做一个直径ψ=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为一体。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。

  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。

  插齿工艺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,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导能力,并且可以生产铜片插铝座,铜片插铜座等各种工艺产品,来满足不同的散热需求。这种技术明显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,最终才会达到预期的效果,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。

  从某些角度看,散热器的加工成型技术决定了散热器的最终性能,也是厂商技术实力的最重要体现。散热器的主流成型技术多为如下几类:

  铝挤压技术简单的说就是将铝锭高温加热至约 520~540℃,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,然后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。铝挤压技术较易实现,且设备成本相对较低,也使其在前些年的低端市场得到了广泛的应用。一般常用的铝挤型材料AA6063,其具有良好的热传导率(约160~180 W/m.K)与加工性。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增大散热面积,故铝挤散热片的散热效果比较差,很难胜任现今日益攀升的高频率CPU。

  除铝挤压技术外,另一个常被用来制造散热片的制程方式为铝压铸,通过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,散热片可依需求做成复杂形状,亦可配合风扇及气流方向做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。

  不过,AA1070 铝合金压铸散热器存在着一些其自身无法克服的先天不足:

  (2)冷却时内部微缩孔偏高,实质热传导率降低(K200 W/m.K)。

  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。

  这类散热器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。结合型散热器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器Pin-Fin比可高达60以上,散热效果佳,且鳍片可选用不同材质制作。

  其缺点在于利用导热膏和焊锡接结合的鳍片与底座之间会存在介面阻抗问题,从而影响散热,为了改善这些缺点,散热器领域又运用了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,并且两者之间没有使用任何介质,从微观上看这两者的原子在某种程度上相互连接,从而彻底避免了传统的两者结合产生介面热阻的弊端,大大提高了产品的热传到能力。

  其次是回流焊接技术,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,最大限度地降低介面热阻,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。一般说来,采取这种工艺的散热器多用于高端,价格较为昂贵。

  可挠性制程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,利于热传导的连续性,鳍片厚度仅有0.1mm,可大大降低材料的需求,并在散热片容许的重量内得到最大的热传面积。为达到大量生产,并克服材质接合时的接口阻抗,制程部份采上下底板同时送料、自动化一贯制程、上下底板接合采用高周波熔焊接合,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。

  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,需要大吨位(500吨以上)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。

  全世界有能力制造出冷锻散热片的厂商并不多,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。

十博

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