散熱器材質用銅好還是用鋁好

　　如今的 PC 中常見的 CPU 散熱器，無論是主流級還是高端產品，幾乎都采用了這樣的結構：與 CPU/GPU 表面接觸的結構采用銅材質，也就是我們常說的銅制底座，而熱管鰭片或者是水冷排鰭片則采用鋁材質。所謂的 " 銅鋁結合 " 說的就是這樣的結構，而采用銅材質鰭片或者銅材質水冷排的散熱器，也就是我們俗稱的 " 純銅散熱器 " 在 PC 領域幾乎可以說是曇花一現，只在早些年頭曾經露面。

　　那為什么 " 銅鋁結合 " 能成為 PC 散熱的主流設計呢?如果你到網上去搜索的話，得到最多的說法應該就是 " 銅鋁結合在綜合多方面因素之后擁有最佳的平衡 "，大家可以簡單理解為考慮到體積、重量、工藝、成本、散熱效能等多方面后的綜合之選，甚至還有說法認為，鋁的散熱效能其實比銅更好，銅只是傳熱更快，因此銅鋁結合是將兩者的優(yōu)點結合在一起，散熱效能比純銅結構會更高。這些說法看上去都很有道理，但真相就是這樣嗎?

　　散熱鰭片的材質對散熱量并沒有影響

　　其實熱力學中的牛頓冷卻公式 Q=hAΔT 已經給出了答案，牛頓冷卻公式多用于對流換熱的計算，而 CPU 散熱的從本質上來說就是讓 CPU 的熱量通過散熱器傳遞到空氣中，散熱器本身并不會產生熱量，也不能消滅熱量，也就是說散熱器所需要承擔的 " 散熱量 " 就是 CPU 的 " 發(fā)熱量 "，或者稱之為總熱流量。我們超能課堂文章《超能課堂 ( 302 ) ：熱是什么?(下)》中已經給大家講解過，用于驅動 CPU 工作的能量，最終基本上都會轉變?yōu)闊崃�，因此只�?CPU 功耗不變，總熱流量就不會改變，而總熱流量就是牛頓冷卻公式中的 Q;公式中的 A 則是散熱器與空氣的接觸面積，只要散熱器結構和尺寸不變，換熱面積就不會改變，與散熱器的材質是沒有任何關系的;h 則是流體的換熱系數，只要對流方式和氣體種類不變，這基本上也是一個定值。

　　因此對于對流換熱來說，如果熱量不變、空氣參數不變、散熱器結構設計不變，那么其 ΔT 也應該是不變的。而 ΔT 則是空氣與散熱鰭片上的溫差，空氣溫度不變，就意味著鰭片溫度就不變，與鰭片材質同樣沒有任何關系。換而言之，散熱器采用何種材質，對于總熱流量也就是散熱量是沒有影響，散熱器上的溫度也不會改變。

　　然而在實際使用中，相同尺寸、相同結構但材質不同的散熱器確實對 CPU 的工作溫度尤其是滿載溫度有明顯的影響，這似乎與牛頓冷卻公式展現出來的結果相矛盾。其實這里面是很多同學都陷入的一個誤解，那就把溫度控制與散熱混為一談了。那為什么說溫度控制與散熱并不是一回事呢?這就要從 "CPU 為什么需要散熱器 " 說起了。

　　PC 上的 CPU 為什么需要散熱器?其實這個同樣可以用牛頓冷卻公式 Q=hAΔT 來解釋。倘若 CPU 直接讓核心與空氣進行對流換熱，那么以核心面積以及對于 ΔT 的限制(CPU 工作溫度上限)，我們是可以快速計算 CPU 散熱需求的，相當于傳熱速率或者說總熱流量的上限。倘若此時的 CPU 發(fā)熱量不超過這個上限，那自然是不需要加裝額外的散熱器，直接與空氣對流散熱即可;但如果 CPU 實際功耗會高于上限，那么為了提升總熱流量，基本上就是只有兩條道路，要么是提升自身的溫度換取更高的 ΔT，要么就是增大自身的換熱面積 A，兩種方法都可以讓總熱流量 Q 上升至符合 CPU 實際功耗的水平。

　　如今 CPU 的頂蓋其實就是一個小規(guī)模的散熱器

　　我們不妨舉例說明，與核心面積為 200mm2 的 CPU，當其功耗為 200W 時，使用溫度為 25 ℃，對流換熱系數為 200W/m2 · Λ 的空氣進行直接散熱，那么其工作溫度會是多少呢?我們把相應的數值套入牛頓冷卻公式，可以得出其工作溫度。然而以這個條件進行計算的話，我們會發(fā)現其工作溫度將達到 5000 ℃的水平，沒有 CPU 可以承受這樣的工作溫度。

　　然而當我們?yōu)槠浼友b散熱器，使其與空氣的接觸面積達到等效 50000mm2 的時候，經計算 CPU 的工作溫度在理想狀態(tài)下只有 45 ℃，這個溫度顯然合理得多，這就是為什么現在 PC 平臺上的 CPU 都需要加裝散熱器的原因。

　　不過到這里為止，我們仍然未能解釋，問什么不同材質的散熱器會給 CPU 帶去不同工作溫度。實際上在上一個環(huán)節(jié)中，我們只是理想化地把 CPU 與散熱器進行了一體化的計算。算出來的 45 ℃其實只是散熱器與空氣接觸面的溫度，并不是真正意義上的 CPU 核心溫度。實際上 CPU 的整個散熱過程，是核心熱量經過散熱器再傳導至空氣的過程，這里面其實有兩個散熱系統(tǒng)，一個是散熱器與 CPU 組成，另一個則是散熱器與空氣組成，后者可以直接使用牛頓冷卻公式進行快速計算，而前者則需要使用到熱傳導、熱擴散等方面的公式子進行計算，這里涉及到了熱力學與傳熱學的基礎，也涉及到了散熱器的材質問題。

　　傳熱學是一門建立在實驗基礎上的科學，在經過大量的實驗后發(fā)現，如果物體是一個規(guī)則的形狀，例如圓柱形，那么物體的傳熱速率大小與兩端溫度差 ΔT=T1-T2 成正比，與物體截面積 A 呈正比，與物體長度 L 成反比，而且不同材質的物體都會遵循上述規(guī)則，因此我們可以為不同材質的物體引入一個系數 λ，從而得出 Qx=λAΔT/L 的公式，而這個系數 λ 就是在散熱領域中經常提到的導熱系數。

　　因此如果我們將 CPU 散熱器視為一個規(guī)則的物體，其與 CPU 的接觸面溫度為 T1，與空氣接觸面的溫度為 T2，那么我們不難看出，當 Qx 總熱流量、A 截面積、L 長度、T2 溫度都維持不變的時候，如果 λ 導熱系數越高，那么 ΔT 就會越低，T1 溫度也會越低，反之則越高。銅的導熱系數為 401W/ ( m · Λ ) ，而鋁的導熱系數為 238W/ ( m · Λ ) ，前者是后者的 1.7 倍，相應地溫差在數值上也就相差了 1.7 ℃，銅材質散熱器上，CPU 與散熱器接觸面的溫度更低。同理我們也可以通過這個數值進一步推算出 CPU 的核心溫度，同樣可以發(fā)現當我們使用銅材質散熱器時，CPU 的核心溫度會更低，只是在數值上相比使用鋁材質是同樣沒有太大的差異。

　　當然這也使一個理論化的計算，而且就算如此，想要直接計算出 CPU 的工作溫度并對比銅鋁材質的散熱器在整個散熱系統(tǒng)中的影響，也不是一件方便的事情。因此我們不妨將傳熱速率的公式進行改寫，Qx=ΔT/ ( L/λA ) = ( T1-T2 ) /R。此時我們將其與電路中的歐姆定律作對比，歐姆定律 I= ( U1-U2 ) /Re，是不是發(fā)現兩者竟如此相似呢?

　　其實熱擴散的過程與電荷擴散的過程是相似的，它們都是在勢差的作用下發(fā)生的，而在擴散的過程在則會受到阻力，如果說電荷擴散的阻力就是電阻，那么熱擴散的阻力自然就是熱阻了。按照我們此前改寫的傳熱速率的方式，我們可以快速得出，在傳導、對流、輻射中的熱阻，分別是以下三個公式。

　　R 傳導 = L / ( λ · A )

　　R 對流 = 1 /(h · A)

　　R 輻射 = 1 / ( hr · A )

　　而有了熱阻的概念后，我們對于傳熱速率的分析和計算就簡便多了，可以將傳熱過程轉變?yōu)楹唵蔚拇�并聯電路結構，而這個結構一般稱之熱路或者是熱網絡，例如 CPU 的散熱過程就簡單地可以理解成一個類似與串聯電路的熱路。

　　當然正如我們此前講到，我們這里分析的更多地是一種理想化的模型，現實中的 CPU 的熱量不僅僅會通過散熱器傳導至空氣中，同時還會通過 CPU 基板、底座、主板 PCB 等多種路徑進入到空氣中，此外整個散熱系統(tǒng)中還存在硅脂等其它散熱介質，所以 CPU 散熱的熱路實際上是要更復雜一些的，應該是一個串聯與并聯共存的電路。而我們這里是為了便于理解而做了理想化的模型，有興趣的同學可以自行作進一步的學習與了解。

　　通過上述的熱路我們可以看到，CPU 的熱量源自與核心，經由頂蓋傳導至散熱器，然后散熱器與空氣進行對流換熱。如果說不考慮核心內部熱阻以及核心與頂蓋、頂蓋與散熱器之間的接觸熱阻，那么整個熱路中的熱阻就是由頂蓋、散熱器以及空氣三者的熱阻組成，從而得出下方這個式子。

　　Qx = ( T1-T2 ) / ( R 頂蓋 + R 散熱器 + R 空氣)

　　在這個式子中，頂蓋與散熱器的熱阻可以使用傳導傳熱的熱阻計算公式，而空氣則使用對流換熱的熱阻計算公式，T1 為 CPU 溫度，T2 空氣的溫度，因此倘若我們只更換散熱器的材質，例如從鋁制散熱器更換為銅制散熱器，而不改變其尺寸結構，也就是體積不變，那么散熱器所用材質的導熱系數越高，那么其表現出來的熱阻就會越低。由于頂蓋與空氣的熱阻也是不變的，因此 CPU 核心溫度可以按照下述公式計算得出：

　　T1 = T2 + Qx · ( R 頂蓋 + R 散熱器 + R 空氣)

　　因此散熱器的熱阻越高，CPU 的工作溫度會處于更高的狀態(tài)，這樣其與空氣之間才有足夠的溫差去彌補更高熱阻帶來的影響。因此我們對散熱器進行測試的時候，本質上是測定其熱阻的高低，而為了準確地展現出熱阻，我們就需要控制測試環(huán)境當中的變量，尤其重要的是 Qx 總熱流量不能改變。這就是我們認為，在使用實際平臺進行散熱測試時，只有鎖定 CPU 功耗并保證室溫相同的情況下，CPU 的滿載工作溫度才能作為不同散熱器性能，嚴格來說來是溫度控制性能對比依據的原因，也是我們在改用固定功率的發(fā)熱平臺測試散熱器，并依據溫差來評價散熱器的原因。

　　根據上述的討論，我們不難得出如下結論，那就是在 CPU 溫度可變且總熱流量不變的情況下，只要散熱器結構、尺寸以及空氣溫度、對流方式也不發(fā)生改變，那么散熱器的 " 散熱效能 " 其實并不會隨著材質的變化而變化，但是控制 CPU 溫度的能力則確實是與材質有莫大關系的，也就是說銅材質的散熱器在 CPU 溫度的表現上都不會比同樣條件下的鋁材質更差，所謂的 " 鋁材質更有利于散熱 " 只是一種不嚴謹、不正確的說法。

　　現在已經幾乎看不到純銅散熱器的蹤影

　　那么為什么現在的散熱器幾乎都不會采用純銅材質了呢?首先從之前的計算我們可以看到，其實銅散熱器與鋁散熱器在實際使用中帶來的 CPU 溫度差距并不是很大，基本上只有追求極致散熱效果的才需要使用純銅結構，大部分情況下同樣結構的鋁制散熱器同樣可以滿足需求。其次就是兩種材質的散熱器，在實際使用中，從開始工作到進入溫度穩(wěn)定的時間是相差無幾的。在傳熱學中，當整個系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定下來不在改變時，一般來說是稱之為穩(wěn)態(tài)傳熱，相當于是我們常說的 " 散熱效率最大化 "，因此對于散熱系統(tǒng)來說，越快進入到穩(wěn)態(tài)傳熱，對于散熱是越有利的。

　　然而導熱系數表示的只是材質傳遞熱量的能力，而溫度則與材質的熱容有關系，然而熱容則與材質的比熱容以及質量有關系。然而在散熱系統(tǒng)中，散熱器更多地是同體積比較而不是同重量比較，因此在這里我們可以引入一個系數，稱之為導溫系數，又叫做熱擴散系數。如果說導熱系數展示的不同材質傳遞熱量的能力，那導溫系數展示的就是不同材質傳遞溫度的能力。

　　導溫系數的公式為 α=λ/ρc，其中 λ 就是導熱系數，ρ 是密度，c 是比熱容，ρc 的乘積代表著單位體積的物體溫度升高 1 ℃所需的熱量。這些參數其實都是已知的數值，因此我們可以計算出銅和鋁的導溫系數，前者為 115mm2/s，后者則為 100mm2/s，也就是說同樣結構的情況情況下，銅材質散熱器達到溫度穩(wěn)定的速度只是比鋁材質的快 15% 左右，而前者導熱系數是后者的 1.7 倍，也就是說銅材質的散熱器在進入最佳散熱效率的時間上，其實并沒有比鋁材質的領先多少，以目前常見的 CPU 散熱器而言，滿打滿算也就是 1 分鐘左右的差距，在實際使用中算是可以忽略的。

　　其實這次我們更多地只是討論熱力學與傳熱學中的穩(wěn)態(tài)導熱，實際上 PC 的散熱會是一個更為復雜的過程，實際計算中需要考慮更多的參數，例如我們此次討論中的散熱器，是按照理想化的模型設計的，而實際設計的散熱器結構上會更為復雜，當中熱阻的組成也是有更多項目的，就連空氣的對流換熱系數，實際上也不是一個固定值，而是在不同的位置上要做相應計算處理的，這里面涉及的知識面相當廣，并不是我們一篇超能課堂可以完全說明的事情，我們也只能作理想話的講解。

　　散熱器的實際結構遠比理論推算中的更為復雜

　　回歸到 CPU 散熱器到底用銅材質還是用鋁材質更好的問題上，其實很多時候同學會下意識地認為，CPU 滿載時溫度更高，發(fā)熱量就會更大。其實不然，事實上只要 CPU 的功耗不變，那么當其溫度穩(wěn)定之后，其 " 發(fā)熱量 " 或者說總熱流量實際上是基本一致的。如果以電路的方式進行解釋的話，那就是 CPU 及其散熱系統(tǒng)的整個組成，其實就相當于是 " 變壓恒流電路 "，電流就相當于是總熱流量，CPU 與室溫的溫度差則相當于電壓或者說電勢差，熱阻自然就是電路中的電阻了。當熱阻增大時，由于熱量不變，那溫差自然就需要增加，也就是說如果這個時候室溫不降低的話，那就只能是芯片的溫度上升了。

　　而想要降低芯片的溫度，那在不改變芯片發(fā)熱量、不改變室溫的前提下，就只能夠是降低散熱系統(tǒng)的熱阻了。如果在這個前提下再加入限制，例如不改變散熱器的尺寸和結構，那就只能換用導熱系數更高的材質，例如從鋁材質換成銅材質。這樣整套系統(tǒng)的發(fā)熱量與散熱量不變，但芯片的溫度確實可以降下來。因此 " 鋁比銅散熱更好 " 的說法在嚴格意義上來說是不正確的，散熱器用銅還是用鋁，甚至是用其它材質，更多地只是影響熱源的溫度，對于 " 散熱量 " 來說是沒有改變的。當然如果你只是看 CPU 的溫度是不是足夠低，那么在散熱器尺寸和結構相同的情況下，銅材質相比鋁材質，確實可以讓芯片的溫度保持在更低的狀態(tài)。

　　那為什么如今 PC 上的多數散熱器都會采用 " 銅鋁結合 " 的方式，而不是溫度控制更為理想的純銅結構呢?根據熱擴散系數的公式，我們也可以得知鋁材質相比銅材質在熱擴散速率方面相差并不大，也就是說兩者進入到溫度平衡狀態(tài)的時間相差不大。因此純銅材質的散熱器確實在 CPU 溫度上有更好看的表現，但是成本綜合考量包括成本、重量、加工難度等多個因素之后，其相比鋁材質散熱器就有點投入與收益不成正比的意思了。

　　而純鋁散熱器則確實在溫度表現上不占優(yōu)勢，因此在綜合多方面的因素之后，在散熱器中占體積大頭，主要用于擴展散熱面積的鰭片使用鋁材質，與熱源直接接觸的結構，如底座、熱管等使用銅材質，這樣的結構就形成了一個最佳平衡點，也就逐步演化為當今主流乃至高端散熱器的基本結構了。