散热器基础知识手册.doc

散热器基础知识手册
目录
一、风扇结构
二、风扇技术术语
三、散热片材质介绍
四、热管介绍
五、测试篇章
六、超频篇章
七、CPU技术简介
八、CPU ROADMAP
九、导热膏
第一章、风扇结构（工作原理）
CPU散热器又称为CPU冷却器，英文名称CPU COOLER，它是针对CPU而设计的散热器装臵，其目的是通过CPU散热器的运作，将CPU之热能散发掉，以达到降低温度的效果。

它通过散热片迅速将CPU之热能传导出去，再借由风扇将其热量强制吹走。

1.1风扇的分类
散热风扇是利用旋转叶片与气体的相互作用来压缩与输送气
体的，其本体主要由转子和定子组成。

散热风扇一般分以下三
类：
1.1.1轴流式风扇：气流出口方向与叶片转动方向相同，在
轴向剖面上，气流在旋转叶片的流道中沿着轴线方向流动。

1.1.2 离心式风扇：利用离心力作用实现气体输送，扇叶在电机的驱动下高速旋转，使充满叶片间的气体沿着叶片向外甩出，在蜗壳内将动能转换成压力能后从出风口排出。

在轴向剖面上，气流沿着半径方向流动。

1.1.3 混流式风扇：气流沿轴向进入叶轮后，近似地沿着锥面流动，气流方向界于离心式与轴流式之间。

1.2风扇的基本结构
一般的风冷散热器使用的主要是轴流式风扇，我们以它为例加以说明。

轴流式风扇可分为两部分
1.2.1转子：包括扇叶（含磁框）、轴芯、油圈及卡簧等
1.2.2 定子：包括电机、轴承、扇框等。

1.3风扇运转的基本原理
根据安培右手法则，导体通过电流，周围会产生磁场，若将此导体臵于另一固定磁场中，则会产生吸力或斥力，造成物体移动。

依据此原理，在直流风扇的扇叶底部，事先安装一个充有磁性的橡皮胶磁铁。

环绕着矽钢片，轴心部分缠绕两组线圈，并使用霍尔感应元件作为同步侦测装臵，控制一组电路，该电路使缠绕轴心的两组线圈轮流工作。

矽钢片产生不同磁极，此磁极与橡胶磁铁产生吸斥力。

当吸斥力大于风扇的静摩擦力时，扇叶自然转动，由于霍尔感应元件提供同步信号，扇叶因
此得以持续运转，至于其运转方向，可依右手法则而定。

1. 4散热风扇的电气原理
散热风扇电路由以下三部分组成：
1.4.1控制部分：由霍尔磁效应开关，电晶体，电阻等元件构
成。

其功能为控制定子线圈线阻电流方向的变化。

1.4.2 电机绕组部分：由矽钢片、漆包线、上下绝缘架组成。

其中矽钢片的功能是负责磁极导出方向，
以确定N 、S 的强弱，
而绕组决定磁力线的方向，控制信号，不断改变线组极性，推
动磁框运转，达到做功的目的。

1.4.3 固定磁场部分：由胶磁提供固定磁场，与线圈的交变磁
场相互作用，产生力矩。

第二章、 风扇技术术语
1、主要性能参数的确定
风扇的主要性能参数包括流量、压力、转速、电性特征、气体介质等。

参数的具体项目见下表：
散热风扇性能参数的确定项目
2、散热风扇应用环境的确定
在设计制造风扇时，应明确标明风扇应用环境的大气压力、环境温度及气体成分。

3、流量、转速与风速
3.1流量
所谓的流量是将风扇出气量按照其进气状态换算而得的结果，通风机单位时间吸入的空气流量称为空气量，通常以Q（M3/min）为单位表示，流量也称气体量，在散热风扇应用中，又称为风量。

因气体依其压力、温度而改变体积，所以提到出气量时，必须标记该状态下空气的压力和温度。

风量一般指空气吸入量，在散热风扇中，常以M3/min、CFM（立方英尺）来表示风量，有时也以质量m按KG/S来表示。

标准状态空气是指：温度20℃、大气压760mmHg，湿度65%的空气。

基准状态空气是指：温度0℃、大气压760mmHg,温度0%的空气。

3.2转速
转速是指风扇在1min内转动的圈数。

转速与电机饶线匝数、线径、扇叶叶轮与底径、叶片形状及所用轴承等因素有关，转速增大，风量相应增大。

因此，即使风扇外形规格相同，但若以上转速影响因素中的其他任一因素不同，都可能导致风扇风量不同的情形发生，因而扇叶的整体设计异常重要。

转速值的大小，在一定程度上代表了风量的大小，在条件一定时，转速越大，则噪音及振动会相应加大，因此，在风量满足降温需求的情况下，应尽量使用低转速风扇，即以最低需求量为设计原则。

一般转速大小为：5010风扇5000RPM；5015为4500RPM；6015风扇为4000RPM。

风扇转速可通过起动电脑时BIOS测试，或通过其他主板自带的监控软件测试，也可通过转速测试仪测试，。

前两种方式要求风扇必须支持主板测速功能。

3.3风速
风速一般指气流流经某一平面的速度。

平面速度是气流通过整个平面的气体运动速度。

平面速度一定时，扇叶叶轮外径越大，通风面积越大，风量则越大。

平面速度由转子的转速和风压决定。

通风面积一定时，平面速度越大，风量越大。

4、风压
为进行正常通风，需要克服送风行程阻力，风扇必须产生出压力克服阻力使气流流动，这就是风压。

风扇的压力分为静压、动压、全压三种形式。

其中，克服前述送风阻力的压力为静压；把气体流动中的所需动能转换成压力的形式为动压，实际中，为实现送风的目的，就需要有静压和动压。

5、启动电压，工作电流与耗电量
启动电压意即风扇最低运转工作电压，是指当突然通电后，能够使风扇启动的最小电压，启动电压是比较风扇优劣的一项特性。

CPU风扇
额定电压为12V，启动电压一般为7V以下。

因主板提供的电压可能会不稳定，若启动电压越低，与额定电压12V的间距就越大，代表CPU风扇可操作的范围就越广，这样就可以确保在电压不稳时，能够在低压激活并启动风扇。

启动电压值的大小可借助万用表等检测工具测出。

通常静摩擦系数较低的风扇，配合较低工作电压的霍尔IC才能使风扇在低电压启动。

工作电流是风扇正常运转时输出电流。

风扇工作电流越低，不仅减小耗电，而且是风扇马达发热量减小，可增加风扇的使用寿命，对于含油风扇而言，还可减慢润滑油的挥发，因此电流越低，风扇可靠度越高，当输送的风量与风压不变的条件下，采用的风扇电流越低，轴功率则越小，而实际传递给气体的功率不变，风扇效率就越高，风扇的工作电流可用电流表来检测出来。

第三章、散热片材质介绍
在风扇的实际工作中，散热片和风冷往往要并肩作战，散热片负责传导热量，把集中的热量扩散到自己身上，风扇转动利用气流再把热量带走。

散热片的散热能力主要由材质的导热性，散热片接触空气的面积决定。

3.1 散热片的常用材质
散热片材质是指散热片所使用的具体材料。

每种材料其导热性能是不同的，按导热性能从高到低排列，分别是银，铜，铝，钢。

不过如果用银来作散热片会太昂贵，故最好的方案为采用铜质。

虽然铝便宜得多，但显然导热性就不如铜好（大约只有铜的百分之五十多点）。

选择何种材质金属，主要考虑成本和导热率两个方面，成本过高使金银等贵金属被排除；就导热率而言，铜是0.9 铝是0.503，热传导率是铜386W/MK 铝198W/MK；非常明显的，铜效果要好过铝很多。

然而铜价格本身就相对较高，又比较软不能用浇铸成型工艺，而只能用“拉拔”或机加工方式制造，由于制造困难，市场上的铜制散热片大多不是纯铜，而是底部覆铜或是镀铜，但是两种金属混接会降低导热效率，造成导热不均。

纯铜的散热片也有缺陷，容易氧化变黑，表面不光洁。

前者难免会让追求完美的玩家皱眉，而后者，则需要研磨，均匀涂抹散热胶方能解决。

3.2 散热片的铸造工艺
如今主流的散热片制造工艺是压铸型+折叠鳍/冲压薄鳍，前者就是将金属融化成液态，加工成金属棒再切割；后者就是把金属切成薄片再折叠(冲压成鳍)，然后做在散热片上，从而扩大接触空气面积。

此外的几种工艺有—轧齿边：这种方法可以充分发挥制作者的创意，此种方法创造的散热片不止是效果好，外观几乎也是艺术品，当然成本也是极高，非常遗憾的，笔者在国内还未见过，不过可以去国外的
专业网站一饱眼福。

铸造法：可以实现冲压不能实现的形状。

冷锻：国内比较罕见，这是主要用于针状鳍的散热片工艺。

第四章、热管介绍
4.1 热管的组成：
热管主要由热管壳体、工质、毛细吸液芯三个部分组成。

4.1.1热管壳体
热管壳体是由金属制成的完全密封的容器，管内抽成真空，压力在102~10-2Pa
4.1.2工作介质（工质）
工作介质是热管内部热量的载体，通常情况下气液两相共存，处于饱和状态，其相变过程完成热管的工作循环。

4.1.3 吸液芯
吸液芯一般是由金属网、泡沫材料、毛毡、纤维或烧结金属等多孔物质组成。

是在蒸发端沿径向分配液态工质，使液态工质在吸液芯中均匀地保持一层薄薄的液膜。

吸液芯一般紧贴于热管壳体内壁，产生毛细抽吸力并提供通道使凝结液沿轴向回流。

4.2热管的工作原理：
蒸发端受热，工质液体吸热汽化蒸发，蒸汽在气压差的作用下迅速流向冷凝端；蒸汽在冷凝端向冷源放出热量凝结成液体，凝结液毛细吸
液芯抽吸力（毛细原理）的作用下，从冷凝端返回蒸发端。

这样完成一个工作循环。

4.3热管的导热特性
良好的导热性：被称为超导热性
在相同的几何条件及相同的温差条件下，热管的导热性能是实心铜棒的440倍，高速导热，传输量大。

理想的等温元件：
热管是理想的等温元件
热流密度的可调性
传热方向的可逆性
对有吸液芯的热管水平放臵或处于重力场下，任何一端受热成为蒸发段，另一段则为凝线段，热管内传热方向可以逆转。

4.4热管的工艺特性
重量轻且结构简单
无主动元件，无功耗
易加工
耐用、寿命长、可靠性高
第五章测试篇章
散热器的测试包括散热器的外观，重量，包装，运行检查（包
括碰撞，卡件，卡死，异音，死角，转速，不平衡量，噪音值）、电性检查（电源适应性，工作电流，启动电压，锁定电流）、散热效果评测，环境条件，安全实验，可靠性实验等，这里主要了解对风扇性能的散热效果评测。

5.1评测CPU散热效果的目的
一般用户，对于电脑显示的温度只认为越低越好，但不知高到何种程度将有危险，或应低到何处最佳，也就是说不知道CPU 的温度值在哪一个范围内是正常的，对于不同的CPU散热器，不知如何纵向及横向比较它们的散热能力谁强谁弱，即使有比较，也仅是单一的从具体的温度值去比较，这是不完整的。

因为环境温度时刻在变，且运行的软件不同，CPU的发热量也有差异，使用不同的机箱、电源、主板都有可能导致最终结果的差异，可见对CPU散热器的评测并不是一件简单的事情。

我们评测CPU的散热效果主要要达到以下目的：
（1）验证使用散热器后，它能否支持它所标称的CPU的最高主频。

（2）比较不同的散热器，在相同的条件下的散热能力，以便选择散热能力最强的散热器。

5.2 验证的方法
5.2.1 CPU满负荷工作法
国内对散热器的测试，所采用的软件多是SUPER 、3DMARK2000、QUAKE3等，实际上这些软件对CPU的使用率不是很高，在测试中CPU产生的
热量不是足够大，引起的温度变化也有限，可能会掩盖一些超强散热效果风扇的能力，不能得到真正客观公平的数据。

所以一个CPU占用率高、适用于测试的软件是我们需要的，我们选择SISISOFT STANDRA系列最新版它本身就是一个测试软件，从测试的项目来说，SISOFT SANDRA2002 STANDARD与前一代相比改动不大，就是增加了一项循环测试，这对整机的稳定性将是一个严峻的考验，如果它能够撑得住几次BURN-IN的话，那么相信你的整机的稳定性就绝对没问题了。

由于我们测试时，不可能环境温度刚好在极限（最大）环境温度下，那么我们如何推算当环境温度到达最大温度时，CPU的内核温度是否超过它的内核最大允许温度呢，我们可以用表6-5-1的方法推算出来。

5.2.2显示的CPU温度值比较法
显示的CPU温度是由主板的监控软件测出，而环境条件是处于变动过程中的，要想使不同的散热器在测试中环境条件保持一致是相当困难的，因此显示的温度值比较，只能作为一种简单的比较方法。

5.2.3热阻值大小比较法
不同的CPU散热器，在相同条件下（使用相同的测试平台、测试软件及测试环境），我们可以用CPU内核温度与环境温度的温度差来比较不同散热器的散热能力。

CPU在相同功率时，温差越小，代表散热能力越强，反之越弱，但当输入功率不同时，CPU的温度值是不同的，为了能不受变动因素影响，因此我们通过热阻值来作为比较，即将温
差与输入功率的比值作对比，根据比值的大小来比较散热能力的大小，热阻值越低，代表每输入1W功率，热源月入风口的温度差越小，也即CPU温度越低。

5.3评测步骤
（1）测试前的准备与注意事项
A、修改系统BIDS设臵，必须确保测试过程中系统一直在满负
荷工作，不能让系统进入自动减压模式或睡眠状态。

B、在放臵热电偶之前，一定要染让CPU充分冷却。

另外在系
统大功率工作后，一定要在15分钟后才能关闭电源，并打开
机箱。

C、通过机箱小孔将热电偶的传输线连接探头固定放臵在距风
扇入风口0.3英寸处，以便测试风扇入风口的环境温度。

D、测试前把以前断开的线连接好，迅速开关电源，确定风扇
能正常转动。

如果不转，要及时关闭电源，并检查风扇的电源
线是否连接好以及风扇有无质量问题。

E、盖上机箱，锁紧螺丝。

（2）正式测试
F、开机。

如果电脑系统安装妥当，散热器的安装也无问题，系统会进入工作状态。

G、在刚开机时按下Delete键，进入BIOS，可以看到CPU的当前温度与风扇转速。

运行30分钟后记录下CPU温度。

H、进入系统，打开硬件监控软件，我们可以看到CPU的工作温度，
MB的温度，风扇的转速值及电压值，点击软件可设臵各项报警参数。

附表格：6-5-1
第五章、超频篇章
超频是使得各种各样的电脑部件运行在高于额定速度下的方法。

为了了解怎样超频系统，首先必须懂得系统是怎样工作的。

用来超频最常见的部件就是处理器了。

在购买处理器或CPU的时候，会看到它的运行速度。

例如，Pentium 4 3.2GHz CPU运行在3200MHz下。

这是对一秒钟内处理器经历了多少个时钟周期的度量。

一个时钟周期就是一段时间，在这段时间内处理器能够执行给定数量的指令。

所以在逻辑上，处理器在一秒内能完成的时钟周期越多，它就能够越快地处理信息，而且系统就会运行得越快。

1MHz是每秒一百万个时钟周期，所以3.2GHz的处理器在每秒内能够经历3，200，000，000或是3十亿200百万个时钟周期。

超频的目的是提高处理器的GHz等级，以便它每秒钟能够经历更多的时钟周期。

计算处理器速度的公式是这个：
FSB（以MHz为单位）×倍频 = 速度（以MHz为单位）。

现在来解释FSB和倍频是什么：
FSB（对AMD处理器来说是HTT*），或前端总线，就是整个系统与CPU通信的通道。

所以，FSB能运行得越快，显然整个系统就能运行得越快。

CPU厂商已经找到了增加CPU的FSB有效速度的方法。

他们只是在每个时钟周期中发送了更多的指令。

所以CPU厂商已经有每个时钟
周期发送两条指令的办法（AMD CPU），或甚至是每个时钟周期四条指令（Intel CPU），而不是每个时钟周期发送一条指令。

那么在考虑CPU和看FSB速度的时候，必须认识到它不是真正地在那个速度下运行。

Intel CPU是“四芯的”，也就是它们每个时钟周期发送4条指令。

这意味着如果看到800MHz的FSB，潜在的FSB速度其实只有200MHz，但它每个时钟周期发送4条指令，所以达到了800MHz的有效速度。

相同的逻辑也适用于AMD CPU，不过它们只是“二芯的”，意味着它们每个时钟周期只发送2条指令。

所以在AMD CPU上400MHz 的FSB是由潜在的200MHz FSB每个时钟周期发送2条指令组成的。

这是重要的，因为在超频的时候将要处理CPU真正的FSB速度，而不是有效CPU速度。

速度等式的倍频部分也就是一个数字，乘上FSB速度就给出了处理器的总速度。

例如，如果有一颗具有200MHz FSB（在乘二或乘四之前的真正FSB速度）和10倍频的CPU，那么等式变成：（FSB）200MHz×（倍频）10 = 2000MHz CPU速度，或是2.0GHz。

在某些CPU上，例如Intel自1998年以来的处理器，倍频是锁定不能改变的。

在有些上，例如AMD Athlon 64处理器，倍频是“封顶锁定”的，也就是可以改变倍频到更低的数字，但不能提高到比最初的更高。

在其它的CPU上，倍频是完全放开的，意味着能够把它改
成任何想要的数字。

这种类型的CPU是超频极品，因为可以简单地通过提高倍频来超频CPU，但现在非常罕见了。

在CPU上提高或降低倍频比FSB容易得多了。

这是因为倍频和FSB不同，它只影响CPU速度。

改变FSB时，实际上是在改变每个单独的电脑部件与CPU通信的速度。

这是在超频系统的所有其它部件了。

这在其它不打算超频的部件被超得太高而无法工作时，可能带来各种各样的问题。

不过一旦了解了超频是怎样发生的，就会懂得如何去防止这些问题了。

超频的方法
那么现在了解了处理器怎样到达它的额定速度了。

非常好，但怎样提高这个速度呢？
超频最常见的方法是通过BIOS。

在系统启动时按下特定的键就能进入BIOS了。

用来进入BIOS最普通的键是Delete键，但有些可能会使用象F1，F2，其它F按钮，Enter和另外什么的键。

在系统开始载入Windows（任何使用的OS）之前，应该会有一个屏幕在底部显示要使用什么键的。

假定BIOS支持超频*，那一旦进到BIOS，应该可以使用超频系统所需要的全部设臵。

最可能被调整的设臵有：
倍频，FSB，RAM延时，RAM速度及RAM比率。

在最基本的水平上，你唯一要设法做到的就是获得你所能达到的最高FSB×倍频公式。

完成这个最简单的办法是提高倍频，但那在大多数处理器上无法实现，因为倍频被锁死了。

其次的方法就是提高FSB。

这是相当具局限性的，所有在提高FSB时必须处理的RAM问题都将在下面说明。

一旦找到了CPU的速度极限，就有了不只一个的选择了。

如果你实在想要把系统推到极限的话，为了把FSB升得更高就可以降低倍频。

要明白这一点，想象一下拥有一颗2.0GHz的处理器，它采用200MHz FSB和10倍频。

那么200MHz×10 = 2.0GHz。

显然这个等式起作用，但还有其它办法来获得2.0GHz。

可以把倍频提高到20而把FSB降到100MHz，或者可以把FSB升到250MHz而把倍频降低到8。

这两个组合都将提供相同的2.0GHz。

那么是不是两个组合都应该提供相同的系统性能呢？
不是的。

因为FSB是系统用来与处理器通信的通道，应该让它尽可能地高。

所以如果把FSB降到100MHz而把倍频提高到20的话，仍然会拥有2.0GHz的时钟速度，但系统的其余部分与处理器通信将会比以前慢得多，导致系统性能的损失。

第六章、CPU技术简介
主频
CPU内部的时钟频率，是CPU进行运算时的工作频率。

一般来说，主频越高，一个时钟周期里完成的指令数也越多，CPU的运算速度也就越快。

但由于内部结构不同，并非所有时钟频率相同的CPU性能一样。

外频
即系统总线，CPU与周边设备传输数据的频率，具体是指CPU到芯片组之间的总线速度。

倍频
原先并没有倍频概念，CPU的主频和系统总线的速度是一样的，但CPU 的速度越来越快，倍频技术也就应允而生。

它可使系统总线工作在相对较低的频率上，而CPU速度可以通过倍频来无限提升。

那么CPU主频的计算方式变为：主频 = 外频 x 倍频。

也就是倍频是指CPU和系统总线之间相差的倍数，当外频不变时，提高倍频，CPU主频也就越高。

缓存（Cache）
CPU进行处理的数据信息多是从内存中调取的，但CPU的运算速度要比内存快得多，为此在此传输过程中放臵一存储器，存储CPU经常使用的数据和指令。

这样可以提高数据传输速度。

可分一级缓存和二级缓存。

一级缓存
即L1 Cache。

集成在CPU内部中，用于CPU在处理数据过程中数据的暂时保存。

由于缓存指令和数据与CPU同频工作，L1级高速缓存缓存的容量越大，存储信息越多，可减少CPU与内存之间的数据交换次数，提高CPU的运算效率。

但因高速缓冲存储器均由静态RAM组成，结构较复杂，在有限的CPU芯片面积上，L1级高速缓存的容量不可能做得太大。

二级缓存
即L2 Cache。

由于L1级高速缓存容量的限制，为了再次提高CPU的运算速度，在CPU外部放臵一高速存储器，即二级缓存。

工作主频比较灵活，可与CPU同频，也可不同。

CPU在读取数据时，先在L1中寻找，再从L2寻找，然后是内存，在后是外存储器。

所以L2对系统的影响也不容忽视。

内存总线速度：（Memory-Bus Speed）
是指CPU与二级(L2)高速缓存和内存之间数据交流的速度。

扩展总线速度：（Expansion-Bus Speed）
是指CPU与扩展设备之间的数据传输速度。

扩展总线就是CPU与外部设备的桥梁。

地址总线宽度
简单的说是CPU能使用多大容量的内存，可以进行读取数据的物理地址空间。

数据总线宽度
数据总线负责整个系统的数据流量的大小，而数据总线宽度则决定了CPU与二级高速缓存、内存以及输入/输出设备之间一次数据传输的信息量。

生产工艺
在生产CPU过程中，要进行加工各种电路和电子元件，制造导线连接各个元器件。

其生产的精度以微米（um）来表示，精度越高，生产工艺越先进。

在同样的材料中可以制造更多的电子元件，连接线也越细，提高CPU的集成度，CPU的功耗也越小。

这样CPU的主频也可提高，在0.25微米的生产工艺最高可以达到600MHz的频率。

而0.18微米的生产工艺CPU可达到G赫兹的水平上。

0.13微米生产工艺的CPU
即将面市。

工作电压
是指CPU正常工作所需的电压，提高工作电压，可以加强CPU内部信号，增加CPU的稳定性能。

但会导致CPU的发热问题，CPU发热将改变CPU的化学介质，降低CPU的寿命。

早期CPU工作电压为5V，随
着制造工艺与主频的提高，CPU的工作电压有着很大的变化，PIIICPU 的电压为1.7V，解决了CPU发热过高的问题。

MMX（MultiMedia Extensions，多媒体扩展指令集）英特尔开发的最早期SIMD指令集，可以增强浮点和多媒体运算的速度。

SSE(Streaming SIMD Extensions，单一指令多数据流扩展) 英特尔开发的第二代SIMD指令集，有70条指令，可以增强浮点和多媒体运算的速度。

3DNow!(3D no waiting) AMD公司开发的SIMD指令集，可以增强浮点和多媒体运算的速度，它的指令数为21条。

第七章、CPU ROADMAP
INTEL CPU ROADMAP。