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[转] 爱拆客-奶哥-关于散热改装

      以下内容转载自论坛,正文如下:

    其实现在做事情,没有个指导思想是不行的,要解决散热这个问题,就先要了解一番现状,正所谓要批判它就要先了解它~嘿嘿~

先来看看散热问题产生的根本原因吧,由于现在的芯片制造工艺以及材料技术的局限,现在人类制造的芯片还不能完全将电能转化为计算能力。现在地球上的材料在常温下都是存在电阻的。所以在电流通过时候都会产生热量,这个是几乎无法避免的问题。(要是有纳美星球上的雷岩那就巴适了~),而且由于芯片频率的提高,发热也越来越大,虽然现在的制程改变和架构进步一定程度上缓解了这类问题,但是芯片运算时的发热量还是不能达到理想的程度,但是笔记本现在的发展所要求的方向更促进了集成度的增高,这样热量问题就更加的严重。所以现在笔记本的散热问题已经成为一个非常令人关心和头痛的问题。

    由于笔记本设计问题,其内部空间相对狭小,但是发热部件又相对集中,这就产生了比台式机更加棘手的散热问题。现在的笔记本厂商解决方案一般是热管式散热,这个是IBM当年首先采用的技术,就是使用热管装置将芯片上的热量传导到散热鳍片上,然后通过风扇吹出的风将热量从鳍片上带走。

这中间的过程们来仔细的分析一下。芯片是热源,芯片表面是和散热器的受热端接触的,散热器受到热量,就会通过热管将热量传导到鳍片,热管实际上是内部真空的,充有一些低沸点的工作介质,现在的热管很多都有烧结而成的毛细结构。有热端和冷端。热管的热端受热之后,内部的液体蒸发,然后到冷端降温冷凝同时放出热量,冷凝之后的工作介质又通过毛细结构的毛细作用重新回到热端继续前面的一个过程。这样,热量就能以比较高的效率进行传导。
          
    现在热量到达鳍片了,该怎么办呢~呵呵~大家看看鳍片的样子,为什么要这样的设计,这原理应该比较容易理解,散热能力和散热的接触面积有很大的关系。

    比如一个很热的大饼,希望它快点冷下来,最好的办法就是将它完全摊平,和空气有最大的接触面积。鳍片的原理就是如此,若是将鳍片完全摊平,计算它和空气的接触面积,这个面积会非常的大。影响散热的另一个因素就是空气的流动速度,这就是风扇存在的原因。这样,受热端,热管,鳍片,风扇这些部件就组成了一个散热系统。这个散热系统的散热效率很高,是现在笔记本散热系统的主力选手。由于这个散热系统是通过主动地动作去排走热量,所以叫做主动散热系统。

    大家可能还会注意到有些笔记本具有面积很大的金属片结构或者金属骨架结构,很多笔记本键盘背面也是金属制,这些结构可以在一定程度上带走部分的热量,是主动散热系统的一个良好补充,由于这类结构并没有主动地去排走热量,而只是接受并自然散发,所以叫做被动散热系统。

    在一个良好完整的散热体系中,应该是主动散热系统为主,被动散热为辅的关系。CPU,GPU,北桥(或者HM55的芯片控制器)这类发热较高的芯片应该在主动散热系统的覆盖之下,同时辅以被动散热系统。像南桥,内存,硬盘之类的部件,由于发热并不是很厉害,只要热量不堆积就可以,被动散热系统就可以胜任。只要保证这两个散热系统高效运转,相信很多笔记本的热量都可以被压制住。当然,这只是理论上的效果,实际上很少笔记本能够同时具有这两种散热系统,更别说完全的高效运行了。所以现在笔记本还是普遍存在着散热不良的状况。分析到这里,们对散热原理的了解应该是有相当的程度了。下面们就从散热系统的每一个环节来分析一下问题出现的可能原因。芯片自身的热量暂且不谈。就先从接触面开始吧。这个地方是很多准发烧友非常关注的地方。因为这里是直接和芯片接触的地方,芯片散热的质量也很大程度上取决于这里。其实大家看见的芯片,并不是真正的集成电路,而是硅封装之后的电路。为了保护精密的集成电路,必须要将其封装起来。这时候,不导电而且具有很强导热系数的硅(611W/(m*k))就派上了用场。芯片实际上可以看做一个硅质体。而散热器就是和这里接触的。大家仔细看看CPU散热器的平面,一定觉得它非常的平滑,硅封装更是光可鉴人。

    但是不要以为这两个面就是绝对平面,贴合之后能够完全接触。在显微结构下,看起来光滑的平面立即变得沟沟坎坎,凹凸不平。这样,即使两个平面贴合的再紧密,也不能完全吻合,空隙内充满了空气,而空气的导热系数是非常低的(0.03W/(m*k)),这种条件下基本上可以忽略了。实际上平均下来,芯片和散热器完全接触面积只占总接触面积的大约40%。这样的接触率,散热效果可想而知。这样问题的关键就很明了了,怎样让芯片表面和散热器底座(一般为铜质,导热系数平均为401W/(m*k))这两个热的优良导体进行亲密接触呢?于是硅脂就应运而生了。这种材料具有一定的导热系数(一般为0.8~6W/(m*k)),而且为半流质,颗粒精细,可以填充接触面的微观结构同时排出空气。使得两个接触面能够更充分的接触,进行热交换。相信大家到这里应该明白硅脂的作用了,其实就是一种空隙填料,而相对金属而言较低的导热系数使得硅脂并不能成为芯片散热介质的最佳人选。主力还是得靠良导热体的充分接触,硅脂是辅助选手。刚开始生产的硅脂由于是纯有机物,导热系数并不高(0.8~1.5W/(m*k)),而且还会随着溶剂硅油的挥发而干涸失效。后来人们实验在硅脂基中添加各种导热性好的金属,金属化合物或者矿物粉末,取得了比较好的效果,比如金刚石是常规材料中导热系数最高的(1300~2400W/(m*k),但是由于其硬度也是冠绝群雄,自然不能直接当做介质,市面上就有种钻石硅脂,号称极高的导热系数,但是结果未可而知。最常见的还是添加银粉或者氮化硼粉末的导热硅脂,导热系数一般为4.5~6W/(m*k)。这样如果涂法得当,就可以基本上满足需求了。更发烧的是一种叫做液态金属的合金,它的熔点较合适,在60度时候会发生熔化从而填充空隙。个人分析其成分可能是锡锑合金,导热系数28~30W/(m*k),这个比普通硅脂的6W/(m*k)可是强多了。但是大家还是要注意,现在再好的硅脂或者液态金属,在导热率这方面都不可能胜过铜,铝和硅。所以硅脂的正确使用方法,是尽量涂得少,薄而均匀,这样,芯片和金属的散热器底座就可以更好更紧密的接触,从而保证散热效果。

    看了上面的介绍,大家也能想明白另外一种散热改造,就是将有些机型的硅脂垫替换为金属片+硅脂,原理是一样的,将硅脂垫这种热的不良导体替换成金属片,同时用硅脂填充接触面缝隙,可以改善芯片的热传导。但是这种改造必须明确的知道需要金属片的厚度,否则会对芯片造成不利影响。轻者影响散热接触,重的会将芯片压碎。

     接下来就看热传导方面了,一般笔记本散热器热传导的主力还是热管。热管是一种很奇妙的东西,它充分利用了热传导原理以及制冷介质的快速热传递性质,可以在轴向上实现现今任何一种金属都不能达到的高导热性。

    从热力学的角度看,为什么热管会拥有如此良好的导热能力呢?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。从热传递的三种方式来看(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。一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部是被抽成负压状态,充入适当的液体,这种液体沸点低,容易挥发。管壁有吸液芯,其由毛细多孔材料构成。热管一段为蒸发端,另外一段为冷凝端,当热管一段受热时,毛细管中的液体迅速蒸发,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。

    正因为热管有如此优良的导热特性,所以才被用在笔记本的散热装置内。承担由热源向散热鳍片的热传导工作。这样优良的热传导介质,在应用的时候自然是多多益善。但是很多情况下的拆机发现,一般笔记本的热管数量似乎并不是非常足够。理论上一个发热比较大的热源应该配备一条热管。但是实际情况往往是热管数量不足,很多设计往往是CPU和GPU共享一根热管,北桥被直接抛弃在主动散热范围之外,或者仅仅用一个可怜的铝制鳍片覆盖。更有甚者连GPU都被抛弃,CPU仅用一根孱弱的热管和小小的散热鳍片相连。这本子不用多说大家也能猜出半分,就是HP的DV2000系。

    热管具有如此优良的导热性能,为了更加良好的散热,理应多用才是,但是很多厂家为了控制更复杂的工艺带来的成本(热管本身成本并不高,关键是热管的加工和焊接需要成本。)所以一般的消费级机器使用的热管数量并不多。影响热管导热效率的另一个因素就是其横截面面积。现在几乎所有笔记本为了控制体积和与散热机构充分接触的原因,热管都采用扁形热管,而且宽度普遍不是很大。这样的热管,导热能力可想而知。还有就是关于一根宽热管和两根窄热管导热能力的争论。个人也没有进行过实地的研究,但是理论上来讲,两者的导热性能应该是差不多的。一根2倍的粗热管具有比两根细热管几乎相当的横截面积,甚至还有一定的优势。就算是考虑了其他因素,应该也就是打个平手,没理由两根细热管就一定比一根粗热管导热能力强。

    现在,热量已经顺利地从CPU途径热管这个高速公路传导至散发端,因为热量是守恒的,即使前面的过程再顺利,再畅通,热量不能发散出去的话,前面的一切也都是白扯。可见,站最后一班岗的散热片也是非常的重要的。它一般是一组或几组薄薄的鳍片结构。这样设计的原因前面也已经说明了,就是为了增加和空气的接触面积。而且有风扇推动空气流动。这样即使空气的导热系数非常的小,但是接触的量非常的多,也是可以带走非常多的热量的。这就说明这部分对热量的散发受到两个因素的影响,就是接触面积和单位时间内的空气流量。接触面积是鳍片的设计方式和数量决定的。这一般与笔记本的设计有关,想要增加也不是很容易。关键是保持鳍片之间的栅格畅通,能让空气在鳍片之间自由流动。这就要求们要经常清理笔记本散热器内的灰尘。另外的途径就是增大风量,这一点也是清理灰尘的一个原因。们也可以通过增大风扇马力和改善进气风道来增大风扇风量。由于一般风扇供电电压是固定的,一般也不建议让风扇在超过标准的电压下运行。但是一般风扇是可以通过电源管理控制的,具体可见熊MM的帖子:【拆客原创】双风扇全速!Acer 3820全速开关完美安装!完全体3820出炉~~~!http://bbs.5ichecker.com/read-htm-tid-24547.html

    现在很多笔记本由于厂家所谓的“风道”设计,风扇进风口并不在风扇正下方(笔记本风扇多采用离心式涡轮风扇,进气部分在风扇轴部)。造成进气量相对较少。这种设计对于发热量不算大的笔记本还是可以应付的,但是高性能笔记本部件发热量非常大,而限于笔记本的体积,鳍片又不能做的过大,所以大进风量,高风扇转速就必不可少了。所以有类似设计又受到散热不良困扰的笔记本,可以采取一定措施增大进风量来解决问题。

    主要发热部件的问题基本上解决了,但是笔记本内部的其它部件也都是工作时候需要发热的,它们的问题又怎样解决呢?这个问题实际上是非常考验笔记本厂商的设计实力的。由于这些低发热部件虽然本身发热不是很大,但是由于笔记本内部空间相对狭小,零部件众多,结构复杂,所以空气流通并不是特别通畅,极易造成热量的堆积。解决这类问题,除了在设计的时候精心布局,尽量分散产热部件的位置,还有要设计通畅的空气流通系统。比如前面提到的利用风扇进风形成的风道设计。另外一个比较有效的方式就是利用被动散热了。被动散热在对付高发热部件的时候是重要的辅助,低发热部件如果加以适当的被动散热,会得到更好的效果。常见的被动散热措施有风道,键盘,大面积金属板等,如能合理利用这些结构,笔记本的使用会更加的舒适,也可以运行的更稳定,延长使用寿命。

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Tags: 散热 改装 笔记本

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