散热设计之——导热设计

初学者

散热片的根本作用就是热量的传导途径，自然在每一个部分都会强调其导热能力。
散热片的导热途径中，重要的环节有：发热设备-吸热底、吸热底内部、吸热底-鳍片、鳍片内部。其中，前两者已在上文中说明。
　　鳍片是散热片与周围环境（空气）进行热交换的主要场所，因此，要迅速的散失掉吸热底吸收来的热量，就应将其传导到鳍片的每个部分。该传导过程最重要的环节就是吸热底到鳍片的热量传导。
　　上文已经提到，吸热底与鳍片间的导热能力，在设计上取决于结合方式与连接面积。两者间的结合方式主要分为“先天”与“后天”两种：“先天”方式即散热片为一体成形，吸热底与鳍片本就是一片金属，并不需经过后续处理，没有介面阻抗，且设计简单，两者间的热传导瓶颈仅有连接面积一项，主要受鳍片设计与工艺影响。“后天”方式即吸热底与鳍片分别成形后，采用一定工艺结合，结合面积可选范围大，可配合的鳍片设计形式多样，还可结合不同材质，或采取“特殊手段”，但后续采用的结合工艺对介面阻抗起着决定作用。尽管可大致划分为两种结合方式，但具体工艺多种多样，且各具特色，难以总结出一概的异同之处，我们将在后文中结合具体工艺进行说明。

　　抛开工艺的问题，吸热底与鳍片间的连接面积究竟应该多大呢？不同的散热片尺寸，显然无法提出准确的数值，只能通过连接面积占吸热底面积的比例来衡量。那么是否连接比例越大越好呢？未必！对于一体成形的散热片，当连接比例达到100％时，不过是又增加了吸热底的厚度而已，仍然不能算作鳍片；而实际的连接比例，又要考虑到鳍片数量、面积、导风槽宽度等因素，不能一味的以大为好，必须在几种因素间寻得平衡。对于后续结合的散热片，根据不同结合工艺会采用不同的连接比例，甚至的确有采用100％连接比例的设计，我们将在后文的工艺部分结合不同情况具体分析。

　　散热鳍片中的热量传导同样不容忽视，为了有效利用鳍片的散热面积，前提条件是将热量扩散到鳍片的每个部分。在不采用“特殊手段”的情况下，热量只有通过鳍片内部的通路，由与吸热底结合的部分传导到与空气接触的各个末端。这就要求鳍片内部具有一定的热传导能力，即所用材料的热传导系数较高，且具有一定的厚度。但鳍片厚度、鳍片表面积、空气流动空间三者又难以同步提高，同样存在需要平衡的矛盾，我们将在后文的散热设计部分详细说明。

　　多次提到的“特殊手段”究竟又指什么呢？是一项近期被广为采用的，刚刚由遥不可及转为平民用品的热门技术——热管！关于热管的原理，本站早已进行过较为详细的介绍，笔者就不在这里赘述了。

　　热管作为热的“超导体”，随着生产技术的成熟，小型热管迅速实用化，成为小空间内转移热量的最有效手段。散热片中利用热管的“超导”特性——设计导热功率之内轴向温差极小，可随意分配吸热段、放热段的适应性，辅以其较同等效果金属更轻巧的外形与相对鳍片更显“宽广”的表面积，如果再加上内嵌于吸热底之中的全方位连接方式（具体工艺参见后文），几乎可以打破吸热底与鳍片连接面积的限制，将热量由吸热底内部，至少是更大表面积上迅速的传导到更大面积的鳍片上。近一段时间，热管在各种空冷散热器中受到了空前的推崇，各家的扛鼎之作多数可见到它的身影。

　　采用热管进行吸热底到鳍片的热量传导具有一些传统结合方式无法比拟的优势：

　　1.热阻小——热管在设计功率以内，其热阻是同体积铜柱的几分之一、十几分之一，甚至几十分之一。通常全功率工作时，吸热段与放热段间的温差也只有2、3℃，因此才敢号称热的“超导体”。

　　2.重量轻——目前计算机散热所采用的热管通常为铜-水热管，吸液芯结构不外单层或多层网芯、金属粉末烧结与轴向槽道式三种，而小尺寸热管主要采用后两种。不论是何种内部结构，类真空的内部加上不足管径1/5厚度的铜质管壳，热管相比同体积的金属可大幅减小重量。

　　3.适应性好——小尺寸热管都具有不错的机械性能，只要不超过弯折半径的规定范围（根据吸液芯结构存在一定差别，通常要求弯折半径不小于三倍管径），可以进行各种角度的弯折，实现吸热底与鳍片间的灵活组合，可适应各种摆放方式。

　　4.接触面积大——热管的吸热段可以内嵌到吸热底内，管壳一周均与周围金属接触，实际连接面积可大于其底面积；与鳍片连接的放热段长度可以达到热管总长度的50％以上，连接面积更可达到传统连接方式的数倍以上，且可多点结合，能够直接将热量扩散到鳍片更广的范围上。

　　当然，利用热管实现热量由吸热底到鳍片的传导同样存在一些亟代解决的不足之处：

　　1.成本高——一根采用轴向槽道式吸液芯的6mm铜-水热管，长度约40cm，最大截面热通量30W左右，价格在20～30元左右；采用金属粉末烧结式吸液芯的产品，同样处于此价位。相对传统的铜、铝合金等金属，材料成本提高了数倍以上。

　　2.加工复杂——由于增加了热管这种相对独立且细长的元件，散热片的成形过程复杂了很多，需要更多的人为干预，提高了加工成本，限制了产量。

　　3.存在介面阻抗——采用热管进行吸热底到鳍片的热传导，不可避免的需要将三者连接起来，则必然会产生介面阻抗，且由于热管对加工条件的一些特殊要求（例如温度——当热管温度超过一定水平时，会由于内部压力过大而爆炸），无法采用一些可获得低介面阻抗的结合工艺，难免损失一些性能。

　　4.易损坏——热管的正常工作要求完全的密封及吸液芯结构的完好，因此外部的物理损伤非常容易导致性能的大幅甚至全部丧失。与之相比，传统的散热片就要“坚强”得多。

　　5.工作温度不合适——虽然目前市场上散热器所采用的热管均为0～250℃的常温热管，但实际上目前半导体芯片正常工作的温度（不超过100℃），不足以令热管发挥出完全的效果，即无法达到最大热传导功率。因此，除非对热管工质进行大幅改进，或提高半导体制造工艺，令其可于高温下稳定工作，否则热管散热器就无法发挥出全部效能。

　　吸热底、鳍片内部也好，两者之间也罢，散热片的导热设计看似均为单向改进即可，实际上同样是面对着在厚度、面积、空间、设计、工艺等多种互相矛盾的因素间进行权衡的问题。热管的采用的确向设计者展现了一片更加广阔的空间，但同样需要面对加工、成本等方面的限制，仍然难以摆脱矛盾因素间进行权衡的困局。