散热器原理

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， 第 6 頁,共 44 頁 2011/3/16 散熱器 陶成文整理 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，比热和热传导系数是两个重 第 7 頁,共 44 頁 2011/3/16 散熱器 陶成文整理 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合金身上基 第 8 頁,共 44 頁 2011/3/16 散熱器 陶成文整理 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。 第 9 頁,共 44 頁 2011/3/16 散熱器 陶成文整理 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。 第 10 頁,共 44 頁 2011/3/16 散熱器 陶成文整理 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。 第 11 頁,共 44 頁 2011/3/16 散熱器 陶成文整理 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: 第 12 頁,共 44 頁 2011/3/16 散熱器 陶成文整理 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。 第 13 頁,共 44 頁 2011/3/16 散熱器 陶成文整理 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。 第 14 頁,共 44 頁 2011/3/16 散熱器 陶成文整理 [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 第 15 頁,共 44 頁 2011/3/16 散熱器 陶成文整理 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。 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: 第 16 頁,共 44 頁 2011/3/16 散熱器 陶成文整理 , 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。 [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 第 17 頁,共 44 頁 2011/3/16 散熱器 陶成文整理 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 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160~180 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。 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 第 18 頁,共 44 頁 2011/3/16 散熱器 陶成文整理 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(K<200 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。 第 19 頁,共 44 頁 2011/3/16 散熱器 陶成文整理 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，影响散热效果。 第 20 頁,共 44 頁 2011/3/16 散熱器 陶成文整理 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。 第 21 頁,共 44 頁 2011/3/16 散熱器 陶成文整理 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，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。 第 22 頁,共 44 頁 2011/3/16 散熱器 陶成文整理 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。 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。 第 23 頁,共 44 頁 2011/3/16 散熱器 陶成文整理 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。 第 24 頁,共 44 頁 2011/3/16 散熱器 陶成文整理 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。 [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 第 25 頁,共 44 頁 2011/3/16 散熱器 陶成文整理 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,并且效果也比较理想。 第 26 頁,共 44 頁 2011/3/16 散熱器 陶成文整理 盘铣工艺的特征是底部会留下弧形的磨痕 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。 抛光:抛光处理只是令处理表面更加光滑,对平面度没有改善,处理成本较高。大多数风冷散热片不会进行抛光处理,而较多见于相对水冷登高端的散热器。 第 27 頁,共 44 頁 2011/3/16 散熱器 陶成文整理 散热原理——风扇基本原理] 因为最终主动散热器都需要通过风扇的强制对流来加快热量的散失，因此一款风扇的好坏，对整个散热效果起到了决定性的作用。配备一个性能优良的CPU风扇也是保证整部电脑顺利运转的关键因素之一。 DC(交流)风扇运转原理: 根据安培右手定则，导体通过电流，周围会产生磁场，若将此导体置于另一固定磁场中，则将产生吸力或斥力，造成物体移动。在直流风扇的扇叶内部，附着一事先充有磁性之橡胶磁铁。环绕着硅钢片，轴心部份缠绕两组线圈，并使用霍尔感应组件作为同步侦测装置，控制一组电路，该电路使缠绕轴心的两组线圈轮流工作。硅钢片产生不同磁极，此磁极与橡胶磁铁产生吸斥力。当吸斥力大于虱扇的静摩擦力时，扇叶自然转动。由于霍尔感应组件提供同步信号，扇叶因此得以持续运转，至于其运转方向，可依佛莱明右手定则决定。 AC(直流)风扇运转原理: AC风扇与DC风扇的区别。前者电源为交流，电源电压会正负交变，不像DC风扇电源电压固定，必须依赖电路控制，使两组线圈轮 流工作才能产生不同磁场。AC风扇因电源频率固定，所以硅钢片产生的磁极变化速度，由电源频率决定，频 率愈高磁场切换速度愈快，理论上转速会愈快，就像直流风扇极数愈多转速愈快的原理一样。不过，频率也不能太快，太快将造成激活困难。 第 28 頁,共 44 頁 2011/3/16 散熱器 陶成文整理 我们电脑散热器上应用的都是DC风扇。而一般一款好的风扇主要考察风量、转速、噪音、使用寿命长短、采用何种扇叶轴承等。下文将对这些参数分别加以说明。 风量是指风冷散热器风扇每分钟排出或纳入的空气总体积，如果按立方英尺来计算，单位就是CFM;如果按立方米来算，就是CMM。散热器产品经常使用的风量单位是CFM(约为0.028立方米/分钟)。50x50x10mm CPU风扇一般会达到10 CFM，60x60x25mm风扇通常能达到20-30的CFM。 在散热片材质相同的情况下，风量是衡量风冷散热器散热能力的最重要的指标。显然，风量越大的散热器其散热能力也越高。这是因为空气的热容比率是一定的，更大的风量，也就是单位时间内更多的空气能带走更多的热量。当然，同样风量的情况下散热效果和风的流动方式有关。 风量和风压 风量和风压是两个相对的概念。一般来说，要设计风扇的风量大，就要牺牲一些风压。如果风扇可以带动大量的空气流动，但风压小，风就吹不到散热器的底部(这就是为什么一些风扇转速很高，风量很大，但就是散热效果不好的原因)。相反的，风压大、风量就小，没有足够的冷空气与散热片进行热交换，也会造成散热效果不好。 一般铝质鳍片的散热片要求风扇的风压足够大，而铜质鳍片的散热片则要求风扇的风量足够大;鳍片较密的散热片相比鳍片较疏的散热片，需要更大风压的风扇，否则空气在鳍片间流动不畅，散热效果会大打折扣。所以说不同的散热器，厂商会根据需要配合适当风量、风压的风扇，而并不是单一追求大风量或者高风压的风扇。 风扇转速 风扇转速是指风扇扇叶每分钟旋转的次数，单位是rpm。风扇转速由电机内线圈的匝数、工作电压、风扇扇叶的数量、倾角、高度、直径和轴承系统共同决定。转速和风扇质量没有必然的联系。风扇的转速可以通过内部的转速信号进行测量，也可以通过外部进行测量(外部测量是用其它仪器看风扇转的有多快，内部测量则直接可以到BIOS里看，也可以通过软件看。内部测量相对来说误差大一些)。 第 29 頁,共 44 頁 2011/3/16 散熱器 陶成文整理 因为随着环境温度的变化，有时需要不同转速风扇来满足需求。一些厂商特意设计出可调节风扇转速的散热器，分手动和自动两种。手动的主要是让用户可以在冬天使用低转速获得低噪音，夏天时使用高转速获得好的散热效果。自动类调温散热器一般带有一个温控感应器，能够根据当前的工作温度(如散热片的温度)自动控制风扇的转速，温度高则提高转速，温度低则降低转速，以达到一个动态的平衡，从而让风噪与散热效果保持一个最佳的结合点。 风扇噪音 除了散热效果之外，风扇的工作噪音也是人们普遍关注的问题。风扇噪音是风扇工作时产生杂音的大小，受多方面因素影响，单位为分贝(dB)。测量风扇的噪声时需要在噪声小于17dB的消音室中进行，距离风扇一米，并沿风扇转轴的方向对准风扇的进气口，采用A加权的方式进行测量。风扇噪声的频谱特性也很重要，因此还需要用频谱仪记录风扇的噪声频率分布情况，一般要求风扇的噪声要尽量的小，而且不能存在异音。 风扇噪音与摩擦力、空气流动有关。风扇转速越高、风量越大，造成的噪音也会越大，另外风扇自身的震动也是不可忽视的因素。当然高品质的风扇的自身震动会很小，但前面两个者却是难以克服的。要解决这个问题，我们可以尝试使用尺寸较大的风扇。应在在风量相同的情况下，大风扇在较低转速时的工作噪声要小于小风扇在高转速时的工作噪声。另外一个我们容易忽略的因素是风扇的轴承。由于风扇高速转动时转轴和轴承之间要摩擦碰撞，所以也是风扇噪声的一个主要来源。 第 30 頁,共 44 頁 2011/3/16 散熱器 陶成文整理 风扇噪音的来源是因为: 1(振动 假如风扇转子转动时转子的物理质心与转轴惯性中心不在同一轴上，便会造成转子的不平衡。转子的物理质心与转轴惯性中心的最近距离称为偏心距，转子不不衡造成偏心距，当转子转动时由于离心力的作用产生一作用力于转轴支架而形成振动，且振动经由基路径传递到机械各部份。 2(风噪 风扇工作时，由于叶片周期性地承受出口不均匀气流的脉动力作用，产生噪声;另一方面，由于叶片本身及叶片上压力的不均匀分布，转动时对周围气体及零件的扰动也构成旋转噪声;此外由于气体流经叶片时产生湍流附层面、旋涡及旋涡脱离，引起叶片上压力分布的脉动而产生涡流噪声。这三种原因所引起的噪音可以综合性地称为“切风噪音”,一般风量风压大的风扇，其切风噪声也较大。 3(异音 风噪听起来只有单纯的风声，而异音则不同，风扇运转时，除风声外，若还有其它声音发出，即可判断风扇出现了异音。异音可能因轴承内有异物或变形，以及组装不当而出现碰撞，或电机绕组缠绕不均，造成松脱，都可能产生异音。 风扇的使用寿命 风扇的使用寿命是指散热器产品正常工作的无故障工作时间，优质产品的使用寿命一般都能达到几万小时。在价格和性能差不多的情况下，选择使用寿命长的产品显然更能保护我们的投资。 风扇的寿命由:电机寿命、使用环境、电力供应等各方面因素所组成。 送风形式 最广泛的形式就是用轴流风机(也就是最普遍的那种风扇)向下鼓风，之所以这么流行是因为综合效果好且成本低廉。如果把轴流风机的方向反过来，就变成向上抽风，在某些特别型号的散热器中会采用这种形式。 两种送风形式的差别在于气流形式的不同，鼓风时产生的是紊流，风压大但容易受到阻力损失;抽风时产生的是层流，风压小但气流稳定。理论上说，紊流的换热效率比层流大得多，因此才成为主流设计形式。但是气流的运动与散热片也有直接关系。在某些散热片设计中(比如过于紧密的鳍片)，气流受散热片阻碍非常大，此时采用抽风可能会有更好的效果。至于采用侧面鼓风的设计，通常不会和顶部鼓风的效果有什么差别。而比较有效的改进方法是建立CPU专用的散热风道，这样便不会受到CPU附近热空气的影响，相当于降低了环境温度。 轴流风机虽然应用广泛，但是也存在固有的缺陷。轴流风机受电机位置的阻挡， 第 31 頁,共 44 頁 2011/3/16 散熱器 陶成文整理 气流不能流畅通过鼓风区域的中部，这称为“死区”。而在典型的散热片上，恰恰中部鳍片的温度最高。由于存在这种矛盾，采用轴流风机时，散热片的散热效果并不充分。 离心风机是与轴流风机完全不同鼓风形式，也逐渐开始使用在CPU散热当中，通常被电脑用户称为“涡轮风扇”。这种风扇的优越之处在于很好地解决了“死区”问题。离心风扇与传统风扇的不同之处是其叶片旋转是在垂直的平面内进行的，进风口位于风扇的侧面。散热器底面接收到的气流分布较均匀。 离心风机的鼓风方向上没有障碍物，所以在各个位置都有同样的气流。同时它的风压和风量的调节范围也更大，转速控制的效果更好。负面的影响和大功率轴流风机一样——价格高、噪音大。 改进风道设计 另外一种解决风力盲区的办法是改变风扇的出风方向。传统的散热器安装方式是气流朝下，即垂直于CPU。改进风道设计之后，风扇改为侧向吹风，让气流的方向平行于CPU。 第 32 頁,共 44 頁 2011/3/16 散熱器 陶成文整理 侧向吹风的首要好处是彻底解决风力盲区，因为气流是平行通过散热鳍片的，气流截面的四条边上的气流速度最快，而CPU的发热点正好位于一条边上。这样CPU散热底座吸收的热量可以被及时带走。另外一个好处是没有反弹的风压(通常向下吹风时，一部分气流冲至散热底面并反弹，这会影响散热器内的气流运动方向，使的热交换的效率受到损失)。热交换效率要高于向下吹风。 [散热原理——轴承和叶片] 轴承和叶片是散热风扇两大组成部分，这两大部分的改进是散热器工作效率得以提升的重要因素。 第 33 頁,共 44 頁 2011/3/16 散熱器 陶成文整理 叶片 叶片数量 CPU风扇的叶片通常在6片到12片之间。一般说来，叶片数量较少的容易产生较大的风压，但运转噪音也较大;而叶片数量较多的则恰恰相反。 叶片形状 有镰刀型、梯形和AVC专利的折缘型等。相对来说，镰刀型扇叶运转时比较平稳安静，但所能产生的风压也较小;梯形扇叶容易产生较大风压，但噪音也较大。折缘型是最优秀的设计，在保持低噪音的同时能产生较大的风压，但目前仅用于AVC自己的产品中。目前见得较多的是镰刀型的设计。 设计优秀的扇叶，能在不高的风扇转速下产生输出较大的风量和风压，同时也不会产生太大的风噪声。除了形状以外，叶片倾斜的角度也很重要，要配合电机的特性和散热片的需要来设计。否则，单纯追求叶片倾角大，可能会出现风噪大风力小的情况。 涡轮风扇:涡轮扇可以消除立轴式风扇轴心部分的风力盲区，使风力更加均匀，散热效率更高。 第 34 頁,共 44 頁 2011/3/16 散熱器 陶成文整理 AVC折缘风扇涉及一种轴承风扇的改良结构，特别涉及在限制圆筒空间中能减小涡流效应的扇叶结构。折缘扇叶型增压降噪风扇装置，可以消除轴流风机扇叶在限制空间中引致的涡流，降低噪声，增加风压。 Tt公司也推出了五面进风静音风扇，传统的风扇进风的地方主要在顶部，而它则风扇四周的提供了入口，这样它提高进风量同时不增加风扇的转速达到静音的效果。 第 35 頁,共 44 頁 2011/3/16 散熱器 陶成文整理 它采用了Hyper flow(流体力学设计)，将原来的封闭式侧壁改成了百叶窗型的侧开口开放式设计，因此进风方式也随之改变，从单独的上进风变为上进风与侧进风并行。根据空气动力学的原理，上进风的方式是空气在旋转的风扇扇叶的驱使下，使其自上而下成垂直流动，此时在风扇的中心形成一个空气压力相对较低的地区，风扇周围的空气于是向气压较低的风扇中心流动，在流动的过程中，气流在扇叶旋转的作用下发生偏移，从而形成了一个类似龙卷风的涡旋，随着涡旋的增强，周围的空气被迅速的吸过来。这样的设计，有效地防止了风扇的末端和扇框之间形成狭窄的气流扰动区和空气湍流产生的风噪声。 其实每个风扇厂商都有自己的扇叶设计方法，每种设计方法也都是经过大量的实验数据所得，可以说复杂程度非常之高。对于具体的技术问题本文就不再深入讨论。 散热器风扇的效能主要取决于:风扇扇叶直径和轴向长度;风扇的转速;扇叶的形状等因素。一般好的风扇除了其风量大和风压高之外，其本身的可靠性是相当的重要，风扇使用的轴承形式在此显得非常重要。一般高速风扇使用滚珠轴承(ball bearing)，而低速风扇则使用成本较低廉的自润轴承(sleeve bearing)。每个风扇都需要两个轴承，一些风扇上标着"BS"的字样，是单滚珠式轴承，BS的意思是"1 ball + 1 sleeve"，依然带有自润轴承的成分。比BS更高级的是双滚珠式轴承，即Two Balls。下面将对各种轴承形式加以说明。 含油轴承是使用滑动摩擦的套筒轴承，使用润滑油作为润滑剂和减阻剂，初期使用时运行噪音低，制造成本也低，但是这种轴承磨损严重，寿命较滚珠轴承有很大差距。而且这种轴承使用时间一长，由于油封的原因(电脑散热器产品都不可能使用高档油封，一般也就是普通的纸油封)，润滑油会逐渐挥发，而且灰尘也会进入轴承，从而引起风扇转速变慢，噪音增大等问题，严重的还会因为轴承磨损造成风扇偏心引发剧烈震动。出现这些现象，要么打开油封加油，要么就只有淘汰另购新风扇。 含油轴承由于使用周期较短，轴承内部的油控直接影响运转时噪音大小，所以越来越被各知名大厂所摒弃。双滚珠轴承现在被业界广泛看好，成为高品质散热器风扇的首选，运转稳定性无出其右，但价格也较高。而作为物美价廉的选择，各大厂商的折衷就是采用单滚珠轴承。 单滚珠轴承是对传统油封轴承的改进。它的转子与定子之间用滚珠进行润滑，并配以润滑油。它克服了油封轴承寿命短，运行不稳定的毛病，而成本上升极为有限。单滚珠轴承吸收了油封轴承和双滚珠轴承的优点。将轴承的使用寿命提升到 第 36 頁,共 44 頁 2011/3/16 散熱器 陶成文整理 了40,000小时，加入滚珠之后，运行噪声有所增大，但仍小于双滚珠轴承。 双滚珠轴承 双滚珠轴承属于比较高档的轴承。轴承中有数颗微小钢珠围绕轴心，当扇页或轴心转动时，钢珠即跟着转动。因为都是球体，所以摩擦力较小，且不存在漏油的问题。双滚珠风扇优点是寿命较长，大约在50000 ~100000小时;抗老化性能好，适合转速较高的风扇。双滚珠轴承的缺点是制造成本高，并且在同样的转速水平下噪音最大(因为滚珠轴承摩擦点增加了2倍)。双滚珠风轴承和液压轴承的封闭性较好，尤其是双滚珠轴承。双滚珠轴承被整个嵌在风扇中，转动部分没有与外界直接接触。在密封的环境中，轴承的工作环境比较稳定。因此5000转级别的大口径风扇几乎都使用双滚珠轴承。而液压轴承由于具备独特的还回式油路，所以润滑油泄露的可能性较小。 来福轴承 来福轴承(Rifle Bearing)技术的代表厂商是CoolerMaster，CM已经将旗下的大部分传统油封轴承风扇升级到来福轴承。作为传统油封轴承的改进，来福轴承采用耐磨材料制成高含油中空轴承，减小了轴承与轴芯之间摩擦力，来福轴承还带有反向螺旋槽及挡油槽的轴芯，在风扇运转时含油将形成反向回游，从而避免含油流失，因此提升了轴承寿命。来福轴承风扇通过采用以上结构及零件，使得含油及保油能力大幅提升，并降低了噪音。 HYPRO轴承: Hypro轴承之名来源于HY(Hydrodynamic wave，流体力学波)PRO(Oil protection system，油护系统)，系知名散热器及风扇设计制造厂家ADDA的专利产品，同是在传统含油轴承基础之上进行多项改进而成。Hypro与液压轴承可谓殊途同归，两种设计各自采用了一些独到的改进措施，但精髓同为循环油路系统，各方面的表现也基本相当。通常产品寿命可达50000小时以上。 外磁风扇是唯一能够较好解决死区问题的轴流风机产。外磁驱动风扇的电机移出了“中心”位置，安装在了风扇的四个角上，风扇页与外框是固定在一起。外磁驱动风扇大大节省了马达所占据的空间，最大程度上减小了普通轴流风扇中的风力盲区的面积。除了这个，外磁驱动风扇的另一个优点是使风扇扇页转动更加平稳，产生较小的噪声。 第 37 頁,共 44 頁 2011/3/16 散熱器 陶成文整理 磁浮风扇: 磁浮风扇的马达有磁浮(MS)设计，其磁感应线与磁浮线成垂直，故轴芯与磁浮线是平行的，故转子的重量就固定在运转的轨道上，利用几乎是无负载的轴芯往反磁浮线方向顶撑，形成整个转子悬空，在固定运转轨道上。因此，磁浮(Magnetic System:MS)事实上只是一种辅助功能，具体的还有配合之前的设计，现有的磁浮设计有与VAPO汽化轴承、BALL滚珠轴承、及SLEEVE含油轴承。 磁浮(MS)设计+VAPO汽化轴承 磁浮(MS)设计+SLEEVE含油轴承 第 38 頁,共 44 頁 2011/3/16 散熱器 陶成文整理 VAPO轴承与SLEEVE轴承的不同点在与材料方面，VAPO是采用特殊的材料，不同与一般的SLEEVE材料，同时VAPO轴承的内层表面也是经过特殊加工的，所以在硬度方面比SLEEVE轴承的要好，而且可以经受起更高的温度和运转时的摩擦，一般都可以运行在70?以上。而一般的SLEEVE配合磁浮设计也是可以延长其寿命的，但就没有其他的两个强了。 液压轴承 液压轴承是由AVC首创的技术。同样，它也是在油封轴承的基础上改进而来的。液压轴承拥有比油封轴承更大的储油空间，并有独特的环回式供油回路。液压轴承风扇的工作噪音又明显的降低，使用寿命也非常长，可达到40000小时。但并非所有的AVC散热器都采用液压轴承风扇。 由此可见，液压轴承实质上仍然是一种油封轴承。但这种经过了改进，寿命比普通油封轴承大大延长了，并且继承了油封轴承的优点——运行噪音小。 第 39 頁,共 44 頁 2011/3/16 散熱器 陶成文整理 纳米轴承 富士康在其产品中首先引入了纳米轴承。传统油封轴承风扇在使用过程中磨损比较严重，长时间使用时的可靠性较低。纳米轴承有效的克服了这个问题:陶瓷轴承技术采用了纳米级高分子材料与特殊添加剂充分融合，轴承核心全面采用纳米级的氧化锆粉，使用冲模及烧结工艺制成，晶体颗粒由过去的60um下降到了0.3um，具有坚固、光滑、耐磨等特性。 纳米陶瓷轴承(NCB)具有很强的耐高温能力，不易挥发，这大大延长了风扇的使用寿命，纳米轴承的性质与陶瓷类似，越磨越光滑。据测试，采用纳米陶瓷轴承(NCB)的风扇平均使用寿命都在15万小时以上。 散热原理——接口与扣具] 目前CPU都采用针脚式接口与主板相连，而不同的接口的CPU在针脚数上各不相同。CPU接口类型的命名，习惯用针脚数来表示，比如目前Pentium 4系列处理器所采用的Socket 478接口，其针脚数就为478针;而Athlon K8系列处理器所采用的Socket 754/939接口，其针脚数就为754/939针。而散热器厂商会针对不同的处理器及其借口类型，设计不同的散热器和配套的扣具。 扣具是固定散热器和CPU插槽的工具，它的好坏直接影响到安装的难易、散热的效果。不过扣具却也是很多人容易忽略的地方，相信没有压坏过CPU的人并不容易体会到扣具的重要。CPU的封装不同，对散热器扣具力量也有不同要求，扣具设计是随"芯"而定的。 第 40 頁,共 44 頁 2011/3/16 散熱器 陶成文整理 AthlonXP散热器的扣具 Pentium4散热器的扣具 第 41 頁,共 44 頁 2011/3/16 散熱器 陶成文整理 Socket—T 散热器一体化扣具 一般来说，扣具越紧，它能产生散热片向下的压力就越大，散热片与CPU核心的接触面积就越大，热阻越小，但无论压力有多大，对于两个刚体表面而言，它们的接触实际只是点与点的接触，所以在接触面之间涂上硅脂是必须的。过大同时也会带来安装不便的缺点，特别对于缺乏核心保护的AthlonXP处理器而言，压力不均，难于安装的扣具在安装时稍有不慎便很容易磨损甚至损坏核心，所以如何使扣具有足够的强度但又易于安装便给了厂商门一道难题。 目前大部分风扇与CPU支架都使用三点扣具，不但和Socket接触更加稳固、平衡。并且使散热片受力更加平均。另外，三叉扣具还有安装容易的优点。 跨平台散热器扣具: 第 42 頁,共 44 頁 2011/3/16 散熱器 陶成文整理 现在高性能散热器通常是多平台设计。其原理一般是采用通用的散热器本体，然后通过变换不同的底座或者扣具，来适应不同平台的需要。这样的好处是显而易见的，首先从设计上只要作小的改动就可以让一款出色的散热器跨平台使用，而变换的只是扣具，相对重新设计要简单的多。这无论在开发周期和生产成本上都得将得到很好的改善。同时，对于广大DIY玩家在升级系统或更换平台时也可以继续使用。但同时不可否认的是这种散热器在安装和拆卸方面也给用户带来很大难题。 安装散热器的同时，导热介质的正确使用也不容忽视。 CPU为何需要导热介质 由于机械加工不可能做出理想化的平整面，因此在CPU与散热器之间存在很多沟壑或空隙，其中都是空气。我们知道，空气的热阻值很高，因此必须用其他物质来降低热阻，否则散热器的性能会大打折扣，甚至无法发挥作用。于是导热介质就应运而生了，它的作用就是填充处理器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。因此，热传导只是导热介质的一个作用，增加CPU和散热器的有效接触面积才是它最重要的作用。 导热硅脂也有性能参数 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。我们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。 1.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，我们不用担心，毕竟通过常规手段很难将CPU的温度超出这个范围。 2.热传导系数 导热硅脂的热传导系数与散热器的基本一致，它的单位为W/mK，即截面积为1平方米的柱体沿轴向1米距离的温差为1开尔文(1K,1?)时的热传导功率。数值越大，表明该材料的热传递速度越快，导热性能越好。目前主流导热硅脂的热传导系数均大于1.134W/mK。 3.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。 4.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 第 43 頁,共 44 頁 2011/3/16 散熱器 陶成文整理 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。现在许多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。目前主流散热器所用导热硅脂的介电常数都大于5.1。 5.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。 导热硅脂涂抹时最重要是均匀，能够覆盖处理器核心就可以。不要使用太多，否则反而会影响散热器的性能。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。 尾序: 篇中所用资料是从外部收集。“不识庐山真面目,只缘身在此山中”,我看後就是這種感覺,所以整理出來與大家分享。 文中內容大都與PE 的SMT制程無關與。SMT(surface mounted technology 表面贴装技术)制程中相关的焊锡膏,網印,点胶,回流焊接内容合整理一篇。 第 44 頁,共 44 頁