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    • 硅脂和钎焊层对CPU散热影响

      CPU在工作过程中的功耗最终全部转换为热量排出。一般情况下,CPU的主要散热通道为核心→钎焊层→顶盖→硅脂→散热器→换热介质。其中硅脂的换热系数、涂法一直是图拉丁关注的问题。硅脂做孔隙填充用,提高功能是提高CPU顶盖和散热器底座的接触面积,主要溶剂为二甲基硅油,填料为50%-70%的金刚石、氧化铝、氧化硅、石墨、碳化硅等微米级粉末。如果有DIY硅脂的意向,请注意购买原料的粒径、纯度和配比,不然会和LTT、PoorPlayers一样失败告终。

      市售的硅脂从9.9元/25g到800元/2g跨越巨大,标称换热系数3~13 W/(mK)不等,多数商家号称能明显降低CPU温度。先不论标称参数是否可信,CPU散热器的硅脂导热系数真的影响那么大吗?我在半假期模式下花了大半天时间做了单塔散热的几个近似模拟,具体看下面的模型。

      提前给出结论:

      (1)3W/(mK)和13W/(mK)的硅脂在60-90W功耗下能有10℃的温度差;

      (2)1-5W/(mK)的硅脂对导热系数敏感性比较高,5-10W/(mK)的变化已经不太明显,>10W/(mK)感知不强。

      (3)硅脂不是特别特别差的情况下,硅脂涂抹质量、机箱排气、鳍片回流焊等影响能轻易盖过硅脂的影响。

      CPU无积热2D简化模型

      模仿百元单塔散热模型进行2D建模简化,鳍片总高度12cm,鳍片数量48片,材料为铝。热管直径6mm,位于鳍片中心。热管下端弯曲后直触硅脂层,硅脂物性参数取自淘宝商品详情。硅脂下方为锐龙规格的CPU顶盖。

      硅脂和钎焊层对CPU散热影响

      该模型有以下假设:1.固体之间为完美接触;

      2.热管为均匀高热导率介质;

      3.CPU无积热,die到顶盖无热阻无横向传热时间;

      4.完美开放机箱,环境温度恒温25℃;

      5.风扇持续满转

      边界条件:(1)空气接触界面为强制对流边界,使用平板均匀传热系数,平板长度按鳍片尺寸用4cm,空气流速按AS120风扇最大流量近似为3m/s;(2)热通量边界直接放于顶盖下端,通量大小为TDP/面积。

      硅脂和钎焊层对CPU散热影响

      单参数跑一下,收敛性极佳,结果比较正常。

      硅脂和钎焊层对CPU散热影响

      然后对不同的TDP、不同热导率进行参数扫描,取点绘图。

      硅脂和钎焊层对CPU散热影响

      乍一看还行,传热障碍主要由硅脂导致。事实真是这样吗?为什么单塔垃圾硅脂可以压住125W功耗呢?不对啊不对啊!改!

      小面积die接触2D简化模型

      实际CPU核心是小die(切割好的晶圆,锐龙IO-die独立)和顶盖的接触传热。所以改一下模型,2D die大小为换算尺寸,厚度根据Intel广告定位500-800μm。

      假设:(1)die和顶盖完美接触;(2)CPU内仅固体传热,其他边界为绝热条件。

      硅脂和钎焊层对CPU散热影响

      继续跑参数化,看看结果曲线。同时划定95℃参考线,可以发现>3 W/(mK)的硅脂能够压住100W以下功耗。3D模型会略有差别。

      硅脂和钎焊层对CPU散热影响

      硅脂/钎焊die接触2D简化模型

      除了die接触面积的影响,die和顶盖之间实际还填充有钎料和硅脂。这里继续增强填充层,计算不同顶盖封装的性能。钎料参数来自于S-Bond 220,硅脂U参数两倍于普通高性能硅脂。 

      硅脂和钎焊层对CPU散热影响

      继续跑参数化扫描,这次对比钎焊U和硅脂U的散热曲线。仍然保留95℃参考线。

      硅脂和钎焊层对CPU散热影响

      硅脂U和钎焊U的温度差得非常多,而且可以发现热障由散热器硅脂转移到了CPU封装填充层。钎焊YES!下图为硅脂U的温度场截图。

      硅脂和钎焊层对CPU散热影响

      最终结论就不放了,个人总结观点已经放在本文开头部分。下一步有两个计划,一个是用手头的原料自制硅脂,另一个是想测一下市售硅脂的实际热导率,有兴趣合作的旁友可以联系我。

      福建·厦门
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