散熱設(shè)計(jì)之——吸熱設(shè)計(jì)
院 散熱片的吸熱效果主要取決于散熱片與發(fā)熱物體接觸部分的吸熱底設(shè)計(jì)。性能優(yōu)秀的散熱片，其吸熱底應(yīng)滿足四個(gè)要求：吸熱快、儲(chǔ)熱多、熱阻小、去熱快。
吸熱快，即吸熱底與發(fā)熱設(shè)備間熱阻小，可以迅速的吸收其產(chǎn)生的熱量。
為了達(dá)到這種效果，就要求吸熱底與發(fā)熱設(shè)備結(jié)合盡量緊密，令金屬材料與發(fā)熱設(shè)備直接接觸，最好能夠不留任何空隙。
儲(chǔ)熱多，即在去熱不良的狀態(tài)下，可以吸收較多的熱量而自身溫度升高較少。
提出此要求的目的是為了應(yīng)付發(fā)熱設(shè)備功率突然提升，或風(fēng)扇停轉(zhuǎn)等散熱器性能突然喪失的狀況。眾所周知，CPU、顯示核心等高速半導(dǎo)體芯片在滿負(fù)荷工作時(shí)所產(chǎn)生的熱量較閑置狀態(tài)下大幅增加；散熱器失效時(shí)，發(fā)熱設(shè)備所產(chǎn)生的熱量無(wú)法及時(shí)散失，情況更是危險(xiǎn)。此類狀況中，如果散熱片吸熱底沒(méi)有一定的儲(chǔ)熱能力作為熱量的緩沖，散熱片與發(fā)熱設(shè)備本身的溫度都會(huì)迅速升高，輕則由于溫度的迅速變化加快設(shè)備老化，重則未能及時(shí)發(fā)動(dòng)過(guò)溫保護(hù)機(jī)制導(dǎo)致設(shè)備燒毀。因此，散熱片的儲(chǔ)熱能力就是其抑制發(fā)熱設(shè)備溫度激增的能力，對(duì)散熱效果并沒(méi)有直接的影響。
熱阻小，即傳導(dǎo)相同功率熱量時(shí)，吸熱底與發(fā)熱設(shè)備及鰭片兩個(gè)介面間的溫差小。
散熱片的整體熱阻就是由與發(fā)熱設(shè)備的接觸面開(kāi)始逐層累計(jì)而來(lái)，吸熱底內(nèi)部的熱傳導(dǎo)阻抗是其中不可忽視的一部分。由于計(jì)算機(jī)風(fēng)冷散熱器所針對(duì)的發(fā)熱設(shè)備通常體積較小，為了將吸收的熱量有效地傳導(dǎo)到盡量多的鰭片上，因此還需要吸熱底有較好的橫向熱傳導(dǎo)能力。
去熱快，即能夠?qū)陌l(fā)熱設(shè)備吸收的熱量迅速的傳導(dǎo)到鰭片部分，進(jìn)而散失。
吸熱底與鰭片部分間的結(jié)合情況，即結(jié)合面積與熱傳導(dǎo)的介面阻抗，對(duì)能否達(dá)成此要求起著決定性的作用。
既然已經(jīng)提出要求，在設(shè)計(jì)方面應(yīng)該采取哪些措施來(lái)滿足它們呢？
1.為了提升吸熱能力，希望散熱片與發(fā)熱設(shè)備緊密結(jié)合，不留任何空隙，可惜這是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。吸熱底與發(fā)熱設(shè)備之間必然存在一定的空隙，如果空隙中是高熱阻的空氣，必然無(wú)法得到良好的導(dǎo)熱效果，因此，應(yīng)采用具有較低熱阻及較佳適應(yīng)性的材料填充其中的空隙，這便是導(dǎo)熱膏的用武之地。但導(dǎo)熱膏的熱阻始終要高于加工散熱片的金屬材料，使用它只是權(quán)宜之計(jì)，并非真正的解決之道，要想根本上提高散熱片吸熱底的吸熱能力，就必須提高其底面平整度。平整度是通過(guò)表面最大落差高度來(lái)衡量的，通常散熱片的底部稍經(jīng)處理即可達(dá)到0.1mm以下，采用銑床或多道拉絲處理可以達(dá)到0.03mm，而CNC銑床或研磨則可以達(dá)到更好的效果，我們將在后文進(jìn)行具體介紹。總之，散熱片的吸熱底越平整，越有利于熱量吸收，但由于無(wú)法做到完美，涂抹導(dǎo)熱膏成為了安裝散熱器的必須步驟。
2.為了滿足儲(chǔ)熱的要求，就需要利用各種物質(zhì)的一項(xiàng)重要特性——比熱容。以散熱片常用材質(zhì)銅、鋁而言，銅的比熱容為385J/kg*K，鋁的比熱容（由于配方材料所占成分比例很少，鋁合金的比熱容與純鋁并無(wú)太大差距）則為903 J/kg*K，即令1kg的銅溫度升高1K需要吸收385J的熱量，而令1kg鋁溫度升高1K則需要吸收903J的熱量。那么是否采用鋁質(zhì)吸熱底的散熱片可以獲得更好的儲(chǔ)熱效果呢？并非如此！因?yàn)榫唧w物體的儲(chǔ)熱能力還決定于其質(zhì)量，具體到散熱片的吸熱底，相同體積下，就決定于材質(zhì)密度——銅的密度為8933 kg/m^3，鋁的密度為2702 kg/m^3。不妨依下述公式計(jì)算一下銅與鋁的體積比熱容：
Cv＝ρ x Cm
銅的體積比熱容＝8933 kg/m^3 x 385J/kg*K≈3.44 x 10^6 J/ m^3*K
鋁的體積比熱容＝2702 kg/m^3 x 903J/kg*K≈2.44 x 10^6 J/ m^3*K
結(jié)果很清楚了，相同體積的銅與鋁材（包括各種鋁合金），發(fā)生相同的溫度變化時(shí)，銅可以比鋁多吸收約40％的熱量，即可以更好的抑制發(fā)熱設(shè)備溫度的激增。這正是中高端散熱器即便不采用全銅設(shè)計(jì)，也要采用銅鋁結(jié)合的吸熱底設(shè)計(jì)的原因。
除了材質(zhì)上選擇具有更高“體積比熱容”的材料外，還可以在吸熱底的形狀設(shè)計(jì)上進(jìn)行發(fā)揮——保持吸熱底厚度不變，增大底面積，或者保持底面積不變，增加吸熱底的厚度，都 可以增大吸熱底體積，進(jìn)而提高熱容量。
3.要降低吸熱底內(nèi)部熱阻，采用熱傳導(dǎo)系數(shù)更高的銅的確是比鋁合金更好的選擇，也正是目前許多中高端散熱器所采用的方法。確定了吸熱底的材質(zhì)，還可以通過(guò)調(diào)整吸熱底的形狀設(shè)計(jì)改變其熱阻。此時(shí)，就面臨著吸熱底縱向與橫向熱阻的平衡問(wèn)題。
根據(jù)熱傳導(dǎo)的基本常識(shí)——截面積越大，熱阻越小，厚度越大，熱阻越大。具體到吸熱底的形狀設(shè)計(jì)——面積越大，厚度越薄，縱向熱阻越??；相反，厚度越厚，橫向熱阻越小，越鰭片的有效連接面積越大?？v向與橫向熱阻分別對(duì)吸熱底的形狀提出了互相矛盾的要求，這就需要設(shè)計(jì)者在其中作出權(quán)衡，選擇合適的面積、厚度與形狀，令縱向與橫向熱阻都可達(dá)到要求，如果沒(méi)能尋找到合適的平衡點(diǎn)，則可能出現(xiàn)一些對(duì)導(dǎo)熱甚至散熱片整體性能造成嚴(yán)重不利影響的情況：
厚度大，面積小——橫向熱阻小，可有效利用連接其上的鰭片，但縱向熱阻大，增加了散熱片的整體熱阻，不利于整體性能提高。
厚度小，面積大——縱向熱阻小，但橫向?qū)峤孛妫ㄅc底面垂直）狹小，橫向熱阻大，外圍大量與底面連接的鰭片無(wú)法發(fā)揮作用，形同虛設(shè)，實(shí)際縱向?qū)崦娣e并不大。
上文只是針對(duì)傳統(tǒng)的平板型吸熱底+直立鰭片設(shè)計(jì)，目前可以說(shuō)已經(jīng)被設(shè)計(jì)人員完全“吃透”了，通常產(chǎn)品設(shè)計(jì)都采用了適當(dāng)?shù)拿?高比。但隨著性能需求的提高，設(shè)計(jì)人員開(kāi)始跳出這種設(shè)計(jì)的限制，采用一些更符合熱力學(xué)原理的吸熱底形狀設(shè)計(jì)，減小熱阻，并針對(duì)集中發(fā)熱位置（例如CPU核心），采用大熱容量的特別設(shè)計(jì)。例如一些銅鋁結(jié)合散熱片的銅柱+放射狀鰭片，以及一些在原有平板型基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的弧形或“屋檐”形吸熱底等。
4.為了滿足去熱快的要求，就需要吸熱底與鰭片間的連接面積盡量大，熱傳導(dǎo)介面阻抗盡量小，同樣要令吸熱底與鰭片盡量緊密的結(jié)合，需要較好的介面平整度。吸熱底與鰭片的結(jié)合方式與連接面積將在下文的導(dǎo)熱設(shè)計(jì)中介紹；結(jié)合程度則基本上取決于散熱片整體成形或吸熱底與鰭片間的結(jié)合工藝，將在稍后的工藝部分中詳細(xì)介紹。
從吸熱底的設(shè)計(jì)中，就可以看到整個(gè)散熱片設(shè)計(jì)的訴求——快進(jìn)、快出、低阻抗，以及所面臨的問(wèn)題——多種因素間矛盾的平衡。
單就吸熱底設(shè)計(jì)而言，吸熱與去熱的要求是越快越好，局部并不存在與之矛盾的因素,只需盡力在材料與工藝方面進(jìn)行改進(jìn)即可；為了減小熱阻，增大與鰭片間的有效連接面積，必須要面對(duì)厚度與面積間的矛盾；儲(chǔ)熱能力的要求看似只要增大體積，實(shí)際對(duì)導(dǎo)熱能力同樣存在影響，難免產(chǎn)生矛盾。不但形狀設(shè)計(jì)，吸熱底材料的選擇同樣需要顧慮到重量、尺寸等條件的限制。
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