基本介紹
- 中文名：散熱器
- 散熱：片所使用的具體材料
- 大量使用：積體電路
- 高溫：積體電路的大敵
概述,散熱片材質,散熱方式,環境熱交換,純鋁散熱器,純銅散熱器,銅鋁結合技術,
概述
計算機部件中大量使用積體電路。眾所周知，高溫是積體電路的大敵。高溫不但會導致系統運行不穩，使用壽命縮短，甚至有可能使某些部件燒毀。導致高溫的熱量不是來自計算機外，而是計算機內部，或者說是積體電路內部。散熱器的作用就是將這些熱量吸收，然後發散到機箱內或者機箱外，保證計算機部件的溫度正常。多數散熱器通過和發熱部件表面接觸，吸收熱量，再通過各種方法將熱量傳遞到遠處，比如機箱內的空氣中，然後機箱將這些熱空氣傳到機箱外，完成計算機的散熱。 散熱器的種類非常多，CPU、顯示卡、主機板晶片組、硬碟、機箱、電源甚至光碟機和記憶體都會需要散熱器，這些不同的散熱器是不能混用的，而其中最常接觸的就是CPU的散熱器。依照從散熱器帶走熱量的方式，可以將電腦的散熱器分為主動散熱和被動散熱。前者常見的是風冷散熱器，而後者常見的就是散熱片。進一步細分散熱方式，可以分為風冷，熱管，液冷，半導體製冷，壓縮機製冷等等。
散熱片材質
散熱片材質是指散熱片所使用的具體材料。每種材料其導熱性能是不同的，按導熱性能從高到低排列，分別是銀，銅，鋁，鋼。不過如果用銀來作散熱片會太昂貴，故最好的方案為採用銅質。雖然鋁便宜得多，但顯然導熱性就不如銅好（大約只有銅的百分之五十多點）。 常用的散熱片材質是銅和鋁合金，二者各有其優缺點。銅的導熱性好，但價格較貴，加工難度較高，重量過大（很多純銅散熱器都超過了CPU對重量的限制），熱容量較小，而且容易氧化。而純鋁太軟，不能直接使用，都是使用的鋁合金才能提供足夠的硬度，鋁合金的優點是價格低廉，重量輕，但導熱性比銅就要差很多。有些散熱器就各取所長，在鋁合金散熱器底座上嵌入一片銅板。 對於普通用戶而言，用鋁材散熱片已經足以達到散熱需求了。
散熱器
散熱器散熱方式
散熱方式是指該散熱器散發熱量的主要方式。在熱力學中，散熱就是熱量傳遞，而熱量的傳遞方式主要有三種：熱傳導，熱對流和熱輻射。物質本身或當物質與物質接觸時，能量的傳遞就被稱為熱傳導，這是最普遍的一種熱傳遞方式。比如，CPU散熱片底座與CPU直接接觸帶走熱量的方式就屬於熱傳導。熱對流指的是流動的流體（氣體或液體）將熱帶走的熱傳遞方式，在電腦機箱的散熱系統中比較常見的是散熱風扇帶動氣體流動的“強制熱對流”散熱方式。熱輻射指的是依靠射線輻射傳遞熱量，日常最常見的就是太陽輻射。這三種散熱方式都不是孤立的，在日常的熱量傳遞中，這三種散熱方式都是同時發生，共同起作用的。
散熱方式
散熱方式實際上，任何類型的散熱器基本上都會同時使用以上三種熱傳遞方式，只是側重點不同罷了。比如普通的CPU散熱器，CPU散熱片與CPU表面直接接觸，CPU表面的熱量通過熱傳導傳遞給CPU散熱片；散熱風扇產生氣流通過熱對流將CPU散熱片表面的熱量帶走；而機箱內空氣的流動也是通過熱對流將 CPU 散熱片周圍空氣的熱量帶走，直到機箱外；同時所有溫度高的部分會對周圍溫度低的部分發生熱輻射。
散熱器的散熱效率與散熱器材料的熱傳導率、散熱器材料和散熱介質的熱容以及散熱器的有效散熱面積等參數有關。
依照從散熱器帶走熱量的方式，可以將散熱器分為主動散熱和被動散熱，前者常見的是風冷散熱器，而後者常見的就是散熱片。進一步細分散熱方式，可以分為風冷、熱管、液冷、半導體製冷和壓縮機製冷等等。
風冷散熱是最常見的，而且非常簡單，就是使用風扇帶走散熱器所吸收的熱量。具有價格相對較低、安裝簡單等優點，但對環境依賴比較高，例如氣溫升高以及超頻時其散熱性能就會大受影響。
熱管是一種具有極高導熱性能的傳熱元件，它通過在全封閉真空管內的液體的蒸發與凝結來傳遞熱量，它利用毛吸作用等流體原理，起到類似冰櫃壓縮機製冷的效果。具有極高的導熱性、良好的等溫性、冷熱兩側的傳熱面積可任意改變、可遠距離傳熱、可控制溫度等一系列優點，並且由熱管組成的換熱器具有傳熱效率高、結構緊湊、流體阻損小等優點。由於其特殊的傳熱特性，因而可控制管壁溫度，避免露點腐蝕。
液冷則是使用液體在泵的帶動下強制循環帶走散熱器的熱量，與風冷相比具有安靜、降溫穩定、對環境依賴小等優點。但熱管和液冷的價格相對較高，而且安裝也相對麻煩一些。
在選購散熱器時，可以根據自己的實際需求以及經濟條件來選購，原則是夠用就好。
環境熱交換
當熱量傳到散熱器的頂部後，就需要儘快地將傳來的熱量散發到周邊環境中去，對風冷散熱器而言就是要與周圍的空氣進行熱交換。這時，熱量是在兩種不同介質間傳遞，所依循的公式為Q=α X A X ΔT，其中ΔT為兩種介質間的溫差，即散熱器與周圍環境空氣的溫度差；而α為流體的導熱係數，在散熱片材質和空氣成分確定後，它就是一個固定值；其中最重要的A是散熱片和空氣的接觸面積，在其他條件不變的前提下，如散熱器的體積一般都會有所限制，機箱內的空間有限，過大會加大安裝的難度，而通過改變散熱器的形狀，增大其與空氣的接觸面積，增加熱交換面積，是提高散熱效率的有效手段。要實現這一點，一般通過用鰭片式設計輔以表面粗糙化或螺紋等辦法來增大表面積。
純鋁散熱器
純鋁散熱器是早期最為常見的散熱器，其製造工藝簡單，成本低，到目前為止，純鋁散熱器仍然占據著相當一部分市場。為增加其鰭片的散熱面積，純鋁散熱器最常用的加工手段是鋁擠壓技術，而評價一款純鋁散熱器的主要指標是散熱器底座的厚度和Pin-Fin比。Pin是指散熱片的鰭片的高度，Fin是指相鄰的兩枚鰭片之間的距離。Pin-Fin比是用Pin的高度(不含底座厚度)除以Fin，Pin-Fin 比越大意味著散熱器的有效散熱面積越大，代表鋁擠壓技術越先進。
純鋁散熱器
純鋁散熱器陶瓷散熱器（又稱陶瓷換熱器）
其生產工藝與窯具的生產工藝基本相同，導熱性與抗氧化性能是材料的主要套用性能。它的原理是把陶瓷散熱器放置在離煙道出口較近、溫度較高的地方，不需要摻冷風及高溫保護，當窯爐溫度為1250-1450℃時，煙道出口的溫度應是1000-1300℃，陶瓷換熱器回收餘熱可達到450-750℃，將回收到的的熱空氣送進窯爐與燃氣形成混合氣進行燃燒，這樣可以降低生產成本，增加經濟效益。陶瓷換熱器在金屬換熱器的使用局限下得到了很好的發展，因為它較好地解決了耐腐蝕、耐高溫等課題，成為了回收高溫餘熱的最佳換熱器。經過多年生產實踐，結果表明陶瓷換熱器效果很好。它的主要優點是：導熱性能好，高溫強度高，抗氧化、抗熱震性能好，壽命長，維修量小，性能可靠穩定，操作簡便。是目前回收高溫煙氣餘熱的最佳裝置。
陶瓷散熱器
陶瓷散熱器純銅散熱器
銅的熱傳導係數是鋁的1.69倍，所以在其他條件相同的前提下，純銅散熱器能夠更快地將熱量從熱源中帶走。不過銅的質地是個問題，很多標榜“純銅散熱器”其實並非是真正的100%的銅。在銅的列表中，含銅量超過99%的被稱為無酸素銅，下一個檔次的銅為含銅量為85%以下的丹銅。目前針對13年市場上大多數的純銅散熱器的含銅量都介於兩者之間。而一些劣質純銅散熱器的含銅量甚至連85%都不到，雖然成本很低，但其熱傳導能力大大降低，影響了散熱性。此外，銅也有明顯的缺點，成本高，加工難，散熱器質量太大都阻礙了全銅散熱片的套用；紅銅的硬度不如鋁合金AL6063，某些機械加工(如剖溝等)性能不如鋁；銅的熔點比鋁高很多，不利於擠壓成形( Extrusion )等問題。
銅鋁結合技術
在考慮了銅和鋁這兩種材質各自的缺點後，目前市場部分高端散熱器往往採用銅鋁結合製造工藝，這些散熱片通常都採用銅金屬底座，而散熱鰭片則採用鋁合金。當然，除了銅底，也有散熱片使用銅柱等方法，也是相同的原理。憑藉較高的導熱係數，銅製底面可以快速吸收CPU釋放的熱量；鋁製鰭片可以藉助複雜的工藝手段製成最有利於散熱的形狀，並提供較大的儲熱空間並快速釋放，這在各方面找到了的一個均衡點。
銅鋁結合
銅鋁結合熱量從CPU核心散發到散熱片表面，是一個熱傳導過程。對於散熱片的底座而言，由於直接與高熱量的小面積熱源接觸，這就要求底座能夠迅速將熱量傳導開來。散熱片選用較高熱傳導係數的材料對提高熱傳導效率很有幫助。通過熱傳導系統對照表可以看出，如鋁的熱傳導係數237W/mK，銅的熱傳導係數則為401W/mK，而比較同樣體積的散熱器，銅的重量是鋁的3倍，而鋁的比熱僅為銅的2.3倍，所以相同體積下，銅質散熱器可以比鋁質散熱器容納更多的熱量，升溫更慢。同樣厚度的散熱器底座，銅不但可以快速引走熱源如CPU Die的溫度，自己的溫度上升也比鋁的散熱片緩慢。因此銅更適合做成散熱器的底面。
不過，這兩種金屬的結合比較困難，銅和鋁之間的親和力較差，如果接合處理不好，便會產生較大的介面熱阻(即兩種金屬之間由於不充分接觸而產生的熱阻)。在實際設計和製造中，廠商總是儘可能降低介面熱阻，揚長避短，這往往也體現了廠商的設計能力與製造工藝。
常見的銅鋁結合工藝包括：
扦焊
扦焊是採用熔點比母材熔點低的金屬材料作為焊料，在低於母材熔點而高於焊料熔點的溫度下，利用液態焊料潤濕母材，填充接頭間隙，然後冷凝形成牢固接合界面的焊接方法。主要工序有：材料前處理、組裝、加熱焊接、冷卻、後處理等。常用的扦焊方式是錫扦焊，鋁表面在空氣中會形成一層非常穩定的氧化層(AL2O3)，使銅鋁焊接難度較高，這是阻礙焊接的最大因素。必須要將其去除或採用化學方法將其去除後並電鍍一層鎳或其它容易焊接的金屬，這樣銅鋁才能順利焊接在一起。
散熱片上的銅底是進行熱的傳導，要求的不僅是機械強度，更重要的是焊接的面積要大(焊著率要高)，才能有效地提升散熱效能，否則不但不會提升散熱效能，反而會使其比全鋁合金的散熱片更加糟糕。
貼片、螺絲鎖合
貼片工藝是將薄銅片通過螺絲與鋁製底面結合，這樣做的主要目的是增加散熱器的瞬間吸熱能力，延長一部分本身設計成熟的純鋁散熱器的生命周期。經過測試發現：在鋁散熱片底部與銅塊之間使用高性能導熱介質，施加80Kgf的力壓緊後用螺絲將其鎖緊，其散熱效果與銅鋁焊接的效果相當，同樣達到了預計的散熱效能提升幅度。
這種方法較焊接簡單,，而且品質穩定，製程簡單，投入設備成本較焊接低，不過只是作為改進，所以性能提升不明顯。雖然有散熱膏填充，銅片與鋁底之間的不完全接觸仍然是熱量傳遞的最大障礙。
製造的主要工序有：銅片裁切、校平(平面度小於0.1mm、鑽孔、塗抹導熱介質鑽孔、攻牙、清洗、強力預壓程式、兩段式鎖合作業、定扭力鎖螺絲。
貼片工藝的重點在於控制好銅、鋁平面度和粗糙度以及鎖螺絲的扭力等因素，即可得到一定的效能提升，是一種不錯的銅鋁結合方式。如果使用的導熱介質性能低劣，或是銅塊平整度不良，熱量就不能順利地傳導至鋁的散熱片表面，使散熱效果大打折扣。另外，螺絲的鎖合力和銅材的純度不夠，都是不良的影響因素。
塞銅 嵌銅
塞銅主要有兩種方式，一種是將銅片嵌入鋁製底板中，常見於用鋁擠壓工藝製造的散熱器中。由於鋁製散熱器底部的厚度有限，嵌入銅片的體積也受到限制。增加銅片的主要目的是加強散熱器的瞬間吸熱能力，而且與鋁製散熱器的接觸也很有限，所以大多數情況下，這種銅鋁散熱器比鋁製散熱器的效果好不了多少，在接觸不良的情況下，甚至會妨礙散熱。還有一種是將銅柱嵌入鰭片呈放射狀的鋁製散熱器中。Intel原裝散熱器就是採用了這樣的設計。銅柱的體積較大，與散熱器的接觸較為充分。採用銅柱後，散熱器的熱容量和瞬間吸熱能力都能增強。這種設計也是目前OEM採用較多的。
比較少見的三角底座
塞銅工藝在製造中一般通過如下方式實現：
機械式壓合
機械式壓合方式是將一塊直徑尺寸大於鋁孔徑的銅塊，通過機械的方式，將其壓合在一起，因為鋁有延展性，所以銅可以在常溫下與鋁質散熱片結合，這種方式的結合的效果也是比較可觀，但有一個致命的缺點就是銅在被擠壓進入鋁孔的過程中，鋁孔內表面容易被銅刮傷，嚴重影響熱的傳導。這要通過合理搭配過盈量以及最佳化設計銅塊的形狀來避免此類問題的產生。
熱脹冷縮結合
在鋁的散熱片底部加工一個直徑ψ=D1的圓孔，另外做一個直徑ψ=D1+0.1MM 的銅柱，利用金屬材料的熱脹冷縮特點，將鋁質散熱片加熱至400℃，其受熱膨脹圓孔直徑擴張至D1+0.2MM以上。利用專門機器在高溫下將常溫(或冷卻後的)銅柱快速塞入鋁質散熱片之圓孔內，待其冷卻收縮後，銅柱與鋁質散熱片就能緊密結合為一體。這也是一種可靠的方法，其銅鋁穩定性很高，由於沒有使用第三方介質，結合緊密度最佳。塞銅工藝可以大幅度降低接觸面間的熱阻，不但保證了銅鋁結合的緊密程度，更充分利用了兩種金屬材料的散熱特性。
但要注意銅柱和圓孔的直徑尺寸及表面粗糙度的品質控制，這些會對其散熱效果有一定的影響。
在經過塞銅工藝處理後，散熱器底面往往還要經過“銑”和“磨”處理。銑工藝針對塞銅處理中的銅芯，磨工藝則針對整個散熱片底部進行磨平處理。
鍛造工藝(冷鍛)
鍛造工藝主要由ALPHA公司掌握，其是在金屬的特殊物理狀態(降伏狀態)下用高壓將其壓入鍛造模具，並在模具上預置銅塊，塞入降伏態的鋁中。由於降伏態時鋁的特殊性質(非液態，柔軟，易於加工)，銅和鋁可以完美的結合，達到中間無空隙，介面熱阻很小。鍛造工藝難度大，成本高，所以成品價格高昂，屬於非主流產品。採用這種工藝的散熱片一般都帶有許多密密麻麻的針狀鰭片。這種工藝製造的散熱片樣式豐富，設計的想像空間較大，但成本也相對較高。
插齒(Crimped Fin)
插齒工藝大膽改進傳統的銅鋁結合技術。先將銅板刨出細槽，然後插入鋁片，利用60噸以上的壓力，把鋁片結合在銅片的基座中，並且鋁和銅之間沒有使用任何介質，從微觀上看鋁和銅的原子在某種程度上相互連線，從而徹底避免了傳統的銅鋁結合產生介面熱阻的弊端，大大提高了產品的熱傳導能力，並且可以生產銅片插鋁座，銅片插銅座等各種工藝產品，來滿足不同的散熱需求。這種技術明顯延長了一部分銅鋁結合技術的壽命。
除了上面介紹的外，還有一些銅鋁結合的方法，但工藝主要都是得保證銅與鋁的熱接觸面的結合品質，否則其散熱效果還不如全鋁合金散熱片。新的製程是需要不斷驗證，不斷改進，最終才會達到預期的效果，在選用銅鋁結合的散熱器時切不可只看外觀，只有實際對比才能買到一個品質優良的銅鋁結合散熱器。
散熱器的加工成型技術
從某些角度看，散熱器的加工成型技術決定了散熱器的最終性能，也是廠商技術實力的最重要體現。目前散熱器的主流成型技術多為如下幾類：
鋁擠壓技術(Extruded)
鋁擠壓技術簡單的說就是將鋁錠高溫加熱至約 520~540℃，在高壓下讓鋁液流經具有溝槽的擠型模具，作出散熱片初胚，然後再對散熱片初胚進行裁剪、剖溝等處理後就做成了我們常見到的散熱片。鋁擠壓技術較易實現，且設備成本相對較低，也使其在前些年的低端市場得到了廣泛的套用。一般常用的鋁擠型材料AA6063，其具有良好的熱傳導率(約160~180 W/m.K)與加工性。不過由於受到本身材質的限制，散熱鰭片的厚度和長度之比不能超過1：18，所以在有限的空間內很難增大散熱面積，故鋁擠散熱片的散熱效果比較差，很難勝任現今日益攀升的高頻率CPU。
鋁壓鑄技術
除鋁擠壓技術外，另一個常被用來製造散熱片的製程方式為鋁壓鑄，通過將鋁錠熔解成液態後，填充入金屬模型內，利用壓鑄機直接壓鑄成型，製成散熱片，採用壓注法可以將鰭片做成多種立體形狀，散熱片可依需求做成複雜形狀，亦可配合風扇及氣流方向做出具有導流效果的散熱片，且能做出薄且密的鰭片來增加散熱面積，因工藝簡單而被廣泛採用。一般常用的壓鑄型鋁合金為ADC12，由於壓鑄成型性良好，適用於做薄鑄件，但因熱傳導率較差(約 96 W/m.K)，現在國內多以AA1070 鋁料來做為壓鑄材料，其熱傳導率高達 200 W/m.K 左右，具有良好的散熱效果。
不過，AA1070 鋁合金壓鑄散熱器存在著一些其自身無法克服的先天不足：
(1)壓鑄時表面流紋及氧化渣過多，會降低熱傳效果。
(2)冷卻時內部微縮孔偏高，實質熱傳導率降低(K<200 W/m.K)。
(3)模具易受侵蝕，致壽命較短。
(4)成型性差，不適合薄鑄件。
(5)材質較軟，容易變型。
隨著CPU主頻的不斷提升，為了達到較好的散熱效果，採用壓鑄工藝生產的鋁質散熱器體積不斷加大，給散熱器的安裝帶來了很多問題，並且這種工藝製作的散熱片有效散熱面積有限，要想達到更好的散熱效果勢必提高風扇的風量，而提高風扇風量又會產生更大的噪音。
散熱器的加工成型技術
接合型製程
這類散熱器是先用鋁或銅板做成鰭片，之後利用導熱膏或焊錫將它結合在具有溝槽的散熱底座上。結合型散熱器的特點是鰭片突破原有的比例限制，散熱效果好，而且還可以選用不同的材質做鰭片。此製程之優點為散熱器Pin-Fin比可高達60以上，散熱效果佳，且鰭片可選用不同材質製作。
其缺點在於利用導熱膏和焊錫接結合的鰭片與底座之間會存在介面阻抗問題，從而影響散熱，為了改善這些缺點，散熱器領域又運用了2種新技術。
首先是插齒技術，它是利用60噸以上的壓力，把鋁片結合在銅片的基座中，並且兩者之間沒有使用任何介質，從微觀上看這兩者的原子在某種程度上相互連線，從而徹底避免了傳統的兩者結合產生介面熱阻的弊端，大大提高了產品的熱傳到能力。
其次是回流焊接技術，傳統的接合型散熱片最大的問題是介面阻抗問題，而回流焊接技術就是對這一問題的改進。其實，回流焊接和傳統接合型散熱片的工序幾乎相同，只是使用了一個特殊的回焊爐，它可以精確的對焊接的溫度和時間參數進行設定，焊料採用用鉛錫合金，使焊接和被焊接的金屬得到充分接觸，從而避免了漏焊空焊，確保了鰭片和底座的連線儘可能緊密，最大限度地降低介面熱阻，又可以控制每一個焊點的焊銅融化時間和融化溫度，保證所有焊點的均勻，不過這個特殊的回焊爐價格很貴，主機板廠商用的比較多，而散熱器廠商則很少採用。一般說來，採取這種工藝的散熱器多用於高端，價格較為昂貴。
可撓性製程
可撓性製程先將銅或鋁的薄板以成型機折成一體成型的鰭片，然後用穿刺模將上下底板固定，再利用高周波金屬熔接機，與加工過的底座焊接成一體，由於製程為連續接合，適合做高厚長比的散熱片，且因鰭片為一體成型，利於熱傳導的連續性，鰭片厚度僅有0.1mm，可大大降低材料的需求，並在散熱片容許的重量內得到最大的熱傳面積。為達到大量生產，並克服材質接合時的接口阻抗，製程部份采上下底板同時送料、自動化一貫製程、上下底板接合採用高周波熔焊接合，即材料熔合來防止接口阻抗的產生，以建立高強度、緊密排列間距的散熱片。由於製程連續，故能大量生產，且由於重量大幅減輕，效能提升，所以能增加熱傳效率。
鍛造製程
鍛造工藝就是將鋁塊加熱後將鋁塊加熱至降伏點，利用高壓充滿模具內而形成的，它的優點是鰭片高度可以達到50mm以上，厚度1mm以下，能夠在相同的體積內得到最大的散熱面積，而且鍛造容易得到很好的尺寸精度和表面光潔度。但鍛造時，由於冷卻塑性流變時會有頸縮現象，使散熱片易有厚薄、高度不均的情況產生，進而影響散熱效率，因金屬的塑性低，變形時易產生開裂，變形抗力大，需要大噸位(500噸以上)的鍛壓機械，也正因為設備和模具的高昂費用而導致產品成本極高。且因設備及模具費用高昂，除非大量生產否則成本過高。
全世界目前有能力製造出冷鍛散熱片的廠商並不多，最為有名的就是日本的ALPHA，而台灣就是Taisol，MALICO-太業科技。冷鍛的優點是可以在製造出散熱面積比鋁擠還大的散熱片，且因鋁擠製造過程是拉伸，所以鋁金屬組織是承水平方向擴大，而冷緞方向是垂直壓縮的，因此對於散熱上，冷鍛占較大的優勢，缺點是成本高，有技術可製造生產的廠商亦不多。
