转：散热设计之——吸热设计

五哥

散热片的吸热效果主要取决于散热片与发热物体接触部分的吸热底设计。性能优秀的散热片，其吸热底应满足四个要求：吸热快、储热多、热阻小、去热快。

　　吸热快，即吸热底与发热设备间热阻小，可以迅速的吸收其产生的热量。

　　为了达到这种效果，就要求吸热底与发热设备结合尽量紧密，令金属材料与发热设备直接接触，最好能够不留任何空隙。

　　储热多，即在去热不良的状态下，可以吸收较多的热量而自身温度升高较少。

　　提出此要求的目的是为了应付发热设备功率突然提升，或风扇停转等散热器性能突然丧失的状况。众所周知，CPU、显示核心等高速半导体芯片在满负荷工作时所产生的热量较闲置状态下大幅增加；散热器失效时，发热设备所产生的热量无法及时散失，情况更是危险。此类状况中，如果散热片吸热底没有一定的储热能力作为热量的缓冲，散热片与发热设备本身的温度都会迅速升高，轻则由于温度的迅速变化加快设备老化，重则未能及时发动过温保护机制导致设备烧毁。因此，散热片的储热能力就是其抑制发热设备温度激增的能力，对散热效果并没有直接的影响。

　　热阻小，即传导相同功率热量时，吸热底与发热设备及鳍片两个介面间的温差小。

　　散热片的整体热阻就是由与发热设备的接触面开始逐层累计而来，吸热底内部的热传导阻抗是其中不可忽视的一部分。由于计算机风冷散热器所针对的发热设备通常体积较小，为了将吸收的热量有效地传导到尽量多的鳍片上，因此还需要吸热底有较好的横向热传导能力。

　　去热快，即能够将从发热设备吸收的热量迅速的传导到鳍片部分，进而散失。

　　吸热底与鳍片部分间的结合情况，即结合面积与热传导的介面阻抗，对能否达成此要求起着决定性的作用。

　　既然已经提出要求，在设计方面应该采取哪些措施来满足它们呢？

　　1.为了提升吸热能力，希望散热片与发热设备紧密结合，不留任何空隙，可惜这是无法实现的。吸热底与发热设备之间必然存在一定的空隙，如果空隙中是高热阻的空气，必然无法得到良好的导热效果，因此，应采用具有较低热阻及较佳适应性的材料填充其中的空隙，这便是导热膏的用武之地。但导热膏的热阻始终要高于加工散热片的金属材料，使用它只是权宜之计，并非真正的解决之道，要想根本上提高散热片吸热底的吸热能力，就必须提高其底面平整度。平整度是通过表面最大落差高度来衡量的，通常散热片的底部稍经处理即可达到0.1mm以下，采用铣床或多道拉丝处理可以达到0.03mm，而CNC铣床或研磨则可以达到更好的效果，我们将在后文进行具体介绍。总之，散热片的吸热底越平整，越有利于热量吸收，但由于无法做到完美，涂抹导热膏成为了安装散热器的必须步骤。

　　2.为了满足储热的要求，就需要利用各种物质的一项重要特性——比热容。以散热片常用材质铜、铝而言，铜的比热容为385J/kg*K，铝的比热容（由于配方材料所占成分比例很少，铝合金的比热容与纯铝并无太大差距）则为903 J/kg*K，即令1kg的铜温度升高1K需要吸收385J的热量，而令1kg铝温度升高1K则需要吸收903J的热量。那么是否采用铝质吸热底的散热片可以获得更好的储热效果呢？并非如此！因为具体物体的储热能力还决定于其质量，具体到散热片的吸热底，相同体积下，就决定于材质密度——铜的密度为8933 kg/m^3，铝的密度为2702 kg/m^3。不妨依下述公式计算一下铜与铝的体积比热容：

　　Cv＝ρ x Cm

　　铜的体积比热容＝8933 kg/m^3 x 385J/kg*K≈3.44 x 10^6 J/ m^3*K
　　铝的体积比热容＝2702 kg/m^3 x 903J/kg*K≈2.44 x 10^6 J/ m^3*K

　　结果很清楚了，相同体积的铜与铝材（包括各种铝合金），发生相同的温度变化时，铜可以比铝多吸收约40％的热量，即可以更好的抑制发热设备温度的激增。这正是中高端散热器即便不采用全铜设计，也要采用铜铝结合的吸热底设计的原因。

　　除了材质上选择具有更高“体积比热容”的材料外，还可以在吸热底的形状设计上进行发挥——保持吸热底厚度不变，增大底面积，或者保持底面积不变，增加吸热底的厚度，都 可以增大吸热底体积，进而提高热容量。

　　3.要降低吸热底内部热阻，采用热传导系数更高的铜的确是比铝合金更好的选择，也正是目前许多中高端散热器所采用的方法。确定了吸热底的材质，还可以通过调整吸热底的形状设计改变其热阻。此时，就面临着吸热底纵向与横向热阻的平衡问题。

　　根据热传导的基本常识——截面积越大，热阻越小，厚度越大，热阻越大。具体到吸热底的形状设计——面积越大，厚度越薄，纵向热阻越小；相反，厚度越厚，横向热阻越小，越鳍片的有效连接面积越大。纵向与横向热阻分别对吸热底的形状提出了互相矛盾的要求，这就需要设计者在其中作出权衡，选择合适的面积、厚度与形状，令纵向与横向热阻都可达到要求，如果没能寻找到合适的平衡点，则可能出现一些对导热甚至散热片整体性能造成严重不利影响的情况：

　　厚度大，面积小——横向热阻小，可有效利用连接其上的鳍片，但纵向热阻大，增加了散热片的整体热阻，不利于整体性能提高。

　　厚度小，面积大——纵向热阻小，但横向导热截面（与底面垂直）狭小，横向热阻大，外围大量与底面连接的鳍片无法发挥作用，形同虚设，实际纵向导热面积并不大。

　　上文只是针对传统的平板型吸热底+直立鳍片设计，目前可以说已经被设计人员完全“吃透”了，通常产品设计都采用了适当的面-高比。但随着性能需求的提高，设计人员开始跳出这种设计的限制，采用一些更符合热力学原理的吸热底形状设计，减小热阻，并针对集中发热位置（例如CPU核心），采用大热容量的特别设计。例如一些铜铝结合散热片的铜柱+放射状鳍片，以及一些在原有平板型基础上进行改进的弧形或“屋檐”形吸热底等。

　　4.为了满足去热快的要求，就需要吸热底与鳍片间的连接面积尽量大，热传导介面阻抗尽量小，同样要令吸热底与鳍片尽量紧密的结合，需要较好的介面平整度。吸热底与鳍片的结合方式与连接面积将在下文的导热设计中介绍；结合程度则基本上取决于散热片整体成形或吸热底与鳍片间的结合工艺，将在稍后的工艺部分中详细介绍。

　　从吸热底的设计中，就可以看到整个散热片设计的诉求——快进、快出、低阻抗，以及所面临的问题——多种因素间矛盾的平衡。

　　单就吸热底设计而言，吸热与去热的要求是越快越好，局部并不存在与之矛盾的因素,只需尽力在材料与工艺方面进行改进即可；为了减小热阻，增大与鳍片间的有效连接面积，必须要面对厚度与面积间的矛盾；储热能力的要求看似只要增大体积，实际对导热能力同样存在影响，难免产生矛盾。不但形状设计，吸热底材料的选择同样需要顾虑到重量、尺寸等条件的限制。