散热原理与散热方法详解

随着PC计算能力的增强，功耗与散热问题日益成为不容回避的问题。一般说来，PC内的热源大户包括CPU、主板(南桥、北桥及VRM部分)、显卡以及其他部件如硬件、光驱等，它们工作时消耗的电能会有相当一部分转化为热量。

我们都知道，电子器件的工作温度直接决定其使用寿命和稳定性。要让PC各部件的工作温度保持在合理的范围内，除了保证PC工作环境的温度在合理范围内之外，还必须要对其进行散热处理。尤其对CPU而言，如果用户进行了超频，要保证其稳定地工作更必须有效地散热。

热传递的原理与基本方式

虽然我们常将热称为热能，但热从严格意义上来说并不能算是一种能量，而只是一种传递能量的方式。从微观来看，区域内分子受到外界能量冲击后，由能量高的区域分子传递至能量低的区域分子，因此在物理界普遍认为能量的传递就是热。当然热最重要的过程或者形式就是热的传递了。

学过中学物理的朋友都知道，热传递主要有三种方式：传导、对流、辐射。

任何散热器也都会同时使用以上三种热传递方式，只是侧重有所不同。以CPU散热为例，热由CPU工作不断地散发出来，通过与其核心紧密接触的散热片底座以传导的方式传递到散热片，然后，到达散热片的热量，再通过其他方式如风扇吹动将热量送走。整个散热过程包括4个环节：第一是CPU，是热源产生者；第二是散热片，是热的传导体；第三是风扇，是增加热传导和指向热传导的媒介；第四就是空气，这是热交换的最终流向。

一般说来，依照从散热器带走热量的方式，可以将散热器分为主动式散热和被动式散热。所谓的被动式散热，是指通过散热片将热源如CPU产生的热量自然散发到空气中，其散热的效果与散热片大小成正比，但因为是自然散发热量，效果当然大打折扣，常常用在那些对空间没有要求的设备中，或者用于为发热量不大的部件散热，如部分普及型主板在北桥上也采取被动式散热。对于个人使用的PC机来说，绝大多数采取主动式散热方式，主动式散热就是通过风扇等散热设备强迫性地将散热片发出的热量带走，其特点是散热效率高，而且设备体积小。

散热方式

对主动式散热，从散热方式上细分，可以分为风冷散热、液冷散热、热管散热、半导体制冷、化学制冷等等。

提高散热片的热传导能力

无论采取哪种散热方式，都要首先解决如何高效地将热量从热源如CPU快速转移到散热本体上的问题，如对风冷散热而言，其需要将CPU产生的热量以热传导转移到散热片，然后由风扇高速转动将绝大部分热量通过对流(包括强制对流和自然对流)的方式带走；对液冷散热同样如此。在这个过程中，辐射方式直接散发的热量是极少的，而起决定作用的则是第一步，提高热传导的效率，将热量带离热源。

要提高热传导的效率，根据“Q=K×A×ΔT/ΔL”的公式，热传导能力与散热片的热传导系数、接触面积和温差成正比，与结合距离成反比。我们下面逐一对此进行探讨。

散热器材质

注：在此部分我们所讨论是与散热器传导能力有关的部分，即一般意义上的散热器底座，而非整个散热器。尤其在探讨风冷散热时这比较容易混淆，因为对风冷而言其底座与鳍片大多为一体，但这二者所承担的功能与技术实现是完全不同的：散热片的底座是与CPU接触，其功能在于吸收热量并将其传导到具有高热容量导体即鳍片，而鳍片则是传导过程的终点，通过巨大的散热面积与空气进行热交换，最终将热量散失到空气中，这是两个相互独立的部分，当然，如何恰当地将二者结合起来便是厂商的功力所地了。

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。

对散热器来说，最重要的是其底座能够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，这只有具备高热传导系数的导热材料才能胜任。在以前广泛应用的是金属导热材料，虽然现在还被特殊电子行业应用，但是由于成本太高，大多数电子产品行业大多选择新型非金属导热材料，对于导热材料而言，比热和热传导系数是两个重要的参数。

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。

金属材料的热传导系数表：

以下是傲川几种常见导热材料的热传导系数表：

导热硅胶片系列

导热绝缘片系列

由此可以看出金属导热材料导热系数非常高，主要应用于一些特殊环境的电子产品行业，非金属导热材料主要应用于民用电子产品散热，其中也有高导热材料用于军用散热。

要提高散热器底座的热传导能力，选用具有较高的热传导系数的材质是一方面，但另一方面也要解决好热源如CPU与散热器底座的结合的紧密程度问题。根据热传导的定律，在材质固定的前提下，传导能力与接触面积成正比，与接触距离成反比。接触面积越大，就能使热量越快地散发出去，但对CPU来说其Die是固定的，所以结合距离就更显重要。

尽管从理论上讲，散热片底座是能和CPU紧密接触的，但客观说来，无论两个接触面有多么平滑，它们之间还是有空隙的，即存在空气，而空气的导热性能很差，这就需要设计优异、抓紧力强大的扣具来将散热片紧密地扣在CPU上，另外，需要用一些导热性能更好而且能变形的东西代替空气来填补这些空隙，如导热硅脂或者散热垫片。理想的情况就是扣具将散热片紧紧固定在CPU上，散热片和CPU的接触完全平行以保持接触面积最大，它们之间一些微小的空隙完全由硅脂填充以保持接触热阻最小。