【转】导热硅脂的重要性——超过散热器本身

会员614018

◆ 传热表面并不平整

　　以现在的技术，机械加工不可能做出理想化的绝对的平整表面，即便是镜面，也有很多细小的坑凹，只是肉眼不太容易发现罢了，除了表面上存在坑凹外，还会有很多细小杂质，如灰尘什么的。这些问题同样存在于电脑中各种看似平整的芯片表面，以及为高温芯片散热的散热器表面。

      无论是CPU还是GPU，还有和它们接触的散热器表面，远远不是我们想象中那么平、那么光滑、那么纯洁。当散热器表面和芯片表面接触时，它们之间是凹凸不平的，存在很多沟壑或空隙，其中都是空气。空气的导热能力很差，因此必须用其它物质来降低热阻，否则散热器的性能会大打折扣，甚至无法发挥作用。

    作为解决办法，导热介质就应运而生了，它的作用就是填充两个接触表面之间大大小小的空隙，增大发热源与散热片的接触面积。导热硅脂是我们最常见的导热介质。

　　导热硅脂作为散热器与CPU/GPU这些芯片的中间层，CPU/GPU的热量必须通过它才能传导到散热器上，因此硅脂的优劣对着整个散热系统有着非常重要的影响。但是大多数人对散热器有着孜孜不倦的追求，对导热硅脂却一直比较忽视，也缺乏足够的了解。

◆ 什么是导热硅脂？
　　在国内外导热硅脂产品的资料中，有的称之为导热膏，有的称之为散热硅脂，英文中导热硅脂的称呼也有几种方式，如Thermal Grease、Thermal Compund、Thermal Paste。为了方便，本文统一用“导热硅脂”，牵涉到产品时有时简称为“硅脂”。
　　严格的说，导热硅脂只是硅脂中的一种，另外还有如绝缘硅脂、润滑硅脂、光学透明硅脂等，硅脂号称工业中的味精，在电气绝缘、润滑、脱模、防锈、防腐、防水、防震等方面有广泛应用。

　　常用的化妆品主要成份其实和导热硅脂的主要成份是一样的，即聚硅氧烷。
硅脂有着与硅油同样的特性，具有卓越的耐热性、电绝缘性、耐候性、疏水性、生理惰性和较小的表面张力，此外还具有低的粘温系数、较高的抗压缩性。尤其是其热稳定性的和氧化稳定性，使得它在150℃下长期与空气接触也不易变质，在200℃时与氧氯接触时氧化作用也较慢，使用温度一般可以可达-50-150℃，对各种基材有良好的润滑性，无腐蚀作用。
　　硅脂的这些特性，使得它成为导热介质最佳人选。较小的表面张力，让它能很好的扩散到芯片和散热器表面的空隙之中，热稳定性保证它在高温下能正常工作，电绝缘性保证了其它电子元器件的安全性。为了加强其导热能力，在硅脂中添加一些功能性填料，如金属氧化物，便制成了导热硅脂。
　　硅脂本身是白色的，在加入了不同填料后，就有可能形成其它颜色，如常见的灰色或金黄色。导热硅脂的好坏除了硅脂的品质外，更主要取决于添加填料的差异，现在所说的纳米硅脂，钻石硅脂，都是因为填料而得名。
　　现在国内有些公司在销售无硅基础油的散热脂，具体情况还不太了解。
　　注意硅酯和硅胶是有区别的，真正意义上的硅胶是工业上的硅胶，和导热硅脂没什么关系。
◆导热硅脂的性能参数
　　作为一种化学物质，导热硅脂有着一些反映自身特性的相关性能参数。了解这些参数的含义，大致上可以判断一款导热硅脂产品的性能高低。
　　1、导热系数（Thermal Conductivity）
　　导热系数的单位为W/m·K（或W/m·℃），表示截面积为1平方米的柱体沿轴向1米距离的温差为1开尔文（K=℃+273.15）时的热传导功率。数值越大，表明该材料的热传递速度越快，导热性能越好。
　　各种物质的导热系数相差很大，其根本原因在于不同的物质其导热机理存在着差异。一般而言，金属的导热系数最大，非金属和液体次之，气体的导热系数最小。导热系数小于等于0.055W/m·K的材料称为高效绝热材料，大于等于500W/m·K的料称为高效导热材料。
比如银的导热系数为420，铜为383，铝为204，水的导热系数为0.58左右，而空气的只有0.023左右，目前主流导热硅脂的导热系数均大于1W/m·K，优秀的可达到6W/m·K以上，是空气的200倍以上。但是和铜铝这些金属材料相比，导热硅脂的导热系数只有它们的1/100左右，换而言之，在整个散热系统中，硅脂层其实是散热瓶颈之所在。
　　目前所知的导热系数最高的物质为金刚石，可达到1000-2000W/m·K。
　　2、传热系数（Thermal Conductance）
　　传热系数指在稳定传热条件下，围护结构两侧流体温差为1℃（或1K），1小时内通过1平方米面积传递的热量，单位是W/㎡·K（或W/㎡·℃）。
　　注意传热系数和导热系数是两个不同概念，在导热硅脂中，应该更多的是导热系数，也是标准的，只是在Arctic Silver的两款产品中，使用了传热系数这个指标。
　　3、热阻系数（thermal resistance）
　　热阻系数表示物体对热量传导的阻碍效果，单位℃/W，即物体持续传热功率为1W时，导热路径两端的温差。热阻显然是越低越好，因为相同的环境温度与导热功率下，热阻越低，发热物体的温度就越低。热阻的大小与导热硅脂所采用的材料有很大的关系。
　　目前主流导热硅脂的热阻系数均小于0.1℃/W，优秀的可达到0.005℃/W。
　　4、粘度（viscosity）
　　粘度是流体粘滞性的一种量度，指流体内部抵抗流动的阻力，用对流体的剪切应力与剪切速率之比表示，粘度的测定方法，表示方法很多，如动力粘度的单位为泊(poise)或帕·秒。
　　对于导热硅脂来说，粘度在2500泊左右，具有很好的平铺性，可以容易地在一定压力下平铺到芯片表面四周，而且保证一定的粘滞性，不至于在挤压后多余的硅脂会流动。
　　5、工作温度范围
　　由于硅脂本身的特性，其工作温度范围是很广的。工作温度是确保导热硅脂处于固态或液态的一个重要参数，温度过高，导热硅脂流体体积膨胀，分子间距离拉远，相互作用减弱，粘度下降；温度降低，流体体积缩小，分子间距离缩短，相互作用加强，粘度上升，这两种情况都不利于散热。
　　导热硅脂的工作温度一般在-50℃～180℃。对于导热硅脂的工作温度，我们不用担心，毕竟通过常规手段很难将CPU/GPU的温度超出这个范围。
　　6、介电常数
　　介电常数用于衡量绝缘体储存电能的性能，指两块金属板之间以绝缘材料为介质时的电容量与同样的两块板之间以空气为介质或真空时的电容量之比。介电常数代表了电介质的极化程度，也就是对电荷的束缚能力，介电常数越大，对电荷的束缚能力越强。
　　普通导热硅脂所采用的都是绝缘性较好的材料，但是部分特殊硅脂（如含银硅脂等）则可能有一定的导电性。空气的介电常数约为1，常见导热硅脂的介电常数约为5。
　　极少有导热硅脂产品提供介电常数这个参数值。
　　7、油离度
　　油离度是指产品在200℃下保持24小时后硅油析出量，是评价产品耐热性和稳定性的指标。将硅脂涂敷在白纸上观察，会看到渗油现象，油离度高的，分油现象明显；或打开长期放置装有硅脂的容器，油离度大的硅脂，在硅脂表面或容器四周看见明显的分油现象。
　　几乎没有导热硅脂产品提供油离度这个参数值。

◆ 导热硅脂该如何涂抹？
　　导热硅脂应该怎么涂抹，还没有一个非常标准的说法，但是有条准则，涂抹的关键在于要均匀、无气泡、无杂质、尽可能薄。
　　现在涂抹的主要方式有两种，一是在CPU/GPU等表面中心挤上一点硅脂，然后靠散热器的压力将硅脂挤压均匀，另一种方式是均匀将硅脂涂抹在CPU/GPU等表面。显然第一种方法适合表面积较小的热源，第二种方法更适合表面积较大的CPU/GPU，如英特尔Core 2系列处理器，但是第二种方法涂抹时容易弄上杂质，也可能产生气泡，很多导热硅脂产品都附送了刮刀或胶套来方便涂抹。
      硅脂厂家官方推荐的涂抹方法不尽相同，正是兵无常势，水无定形，能涂到均匀无杂质无气泡就基本OK了。
　　此外，大多数普通导热硅脂在使用半年或更长时间后，会出现“干化”或“硬化”现象，大大影响散热效果。因此，要保证系统长期稳定地工作，定期清理并重新涂抹硅脂也是必要的。
◆ 硅脂涂抹厚薄对散热的影响
　　从理论上来说，在保证能填充CPU/GPU和散热器表面缝隙的前提下，导热硅脂层是越薄越好，毕竟从导热性能上来讲，再好的硅脂也比不过铜铝这些金属材料。前面在讲导热系数这个参数时说过，铜的导热系数是高档导热硅脂的百倍左右。
　　实际上很多人唯恐硅脂不够，涂抺N多硅脂，结果会如何呢？
　　我们做个简单测试，使用Arctic Alumina硅脂（北极铝），一次涂适量，一次故意涂的比较多，测试两种情况下CPU温度的情况（室温28度，E6600（7*500MHz），Zalman CNPS9700LED散热器，Foxconn MARS P35主板，CPU电压1.55V）。用EVEREST软件的System Stability Test来测试，它能让CPU高负荷运作，记录温度变化曲线。可以发现，硅脂层的厚薄对散热的影响还是很明显的，从这个测试来看，两者间有2℃的差距，这样的差距比我们想像中还要大。
　　因此我们再次强调一下，在保证能填充CPU/GPU和散热器表面缝隙的前提下，导热硅脂层越薄越好。
◆ 不涂导热硅脂CPU会烧吗？
　　导热硅脂有什么用大家都知道了，如果不涂硅脂，情况会怎么样呢？
　　再做个小测试，先在处理器表面涂上市售的5元一瓶的STARS-350硅脂，看下CPU温度变化，用EVEREST的System Stability Test模拟CPU较高负荷的测试：使用普通硅脂，CPU温度在61-62℃间。

     无硅脂时，CPU温度高达78℃，并有大量CPU Throt发生。两者的差距是惊人的，在无硅脂下CPU温度达到了78度，而且由于CPU温度过高，CPU Throt（处理器温度监控技术）开始发生作用，注意图中下方那条红色的曲线，CPU温度过高开始降频降压在运行了。如果是正常频率电压的话，CPU温度将会更高。

◆ 牙膏能当导热硅脂用吗？
　　导热硅脂并不是随手可得的，在没有硅脂的时候，形态相似的牙膏能当硅脂用吗？
　   网上发现很多人拿牙膏当导热介质在用……

　　为此，我们特地购买了一支高露洁牙膏（高钙+氟），来看一下牙膏的导热性能如何。　
       牙膏的主要成分是粉状的摩擦剂，常用的有碳酸钙、磷酸氢钙、氢氧化铝等。另外还含有湿润剂、表面活性剂、粘合剂、香料、甜味剂等其它成分。其中碳酸钙（CaCO3）可除污垢，氢氧化铝（Al(OH)3）可以增加光亮，磷酸氢钙（CaHPO4）可除烟迹。另外一些牙膏添加了氟化物（如高露洁的这支就含有单氟磷酸钠），可以与牙齿表面的氢磷灰石（Ca5（PO4）3OH）结全成质地更坚硬的氟磷灰石（Ca5（PO4）3F），达到防龋齿的作用。

　　测试室温28度，E6600（7*500MHz）处理器，Zalman CNPS9700LED散热器，Foxconn MARS P35主板，CPU电压1.55V。使用EVEREST的System Stability Test来测试。
　   使用Arctic Alumina（北极铝）硅脂，CPU温度在61－62度间浮动
　　使用牙膏当导热介质，初期CPU温度稳定在为60度（注意此时测试时间：8月3日，14:52）。
　   哇！一支三元钱的牙膏居然比几十元的导热硅脂效果还要好~~~~~~
　　然后我们继续拷机，温度一直在60度上下，就这么开机到50小时后，CPU温度已经发生变化了，达到67度左右（不过此时无空调了）。65小时后，温度上升更明显：
　   60多小时后，CPU温度达到77℃，并有CPU Throt发生
　　注意测试的时间为8月6日，9:23，此时CPU温度达到了77度左右。而且……由于CPU温度过高，CPU Throt开始发生作用，注意图中那条红色的曲线，CPU温度过度开始降频降压在运行了，这个和前面无硅脂的测试结果非常相似。

　　基本上到此时，牙膏在长时间烘烤后就剩下碳酸钙这些了，不但不导热，还是很好的热阻尼材料。这时候和没涂导热硅脂的情况差不多了。
　　看下牙膏变成什么样了：长时间烘烤后的牙膏变成了粉末状的固体颗粒了。
       不过，有一件很不幸的事发生了，ZALMAN CNPS9700LED纯铜散热器的底部居然被牙膏给腐蚀了。
       牙膏有一定的金属腐蚀能力，尤其是现在加入了很多功能性的添加剂后（比如氟就有很强的腐蚀作用），所以现在的牙膏都不用铝管来装了（以前牙膏皮可都是铝制的），而采用耐腐蚀的铝塑材料。

　　如果你暂时没有导热硅脂可用，可临时使用牙膏代替，但请尽快换上导热硅脂（48小时内）。牙膏在长时间的烘烤后，随着水份等的蒸发，其导热能力会突降，更重要的是，长时间的使用，会对你的散热器有腐蚀作用，这个要有心理准备。

会员614018

原文有很多图片，但是因为时间较久都挂掉了，我就没能转过来。在没有图片的基础上略作修改。

会员610978

做维修的尽量用点好硅脂，特别是8400，7300......

会员579704

好文，给小白普及一下是很好的

会员15888

没有用到很好的  用用好像都是一般

会员25541

导热硅脂层是越薄越好，
修到好多坏显卡，有人以为硅脂多的好，拆开看，厚厚1层。最好的硅脂比不过金属，硅脂层是越薄越好

会员602831

好文，受教了

会员542873

说的好 专业学习了

会员619224

弱地问下，大家都用什么硅脂？最好说下品牌及型号

会员591686

长知识，前几天给一个顾客除尘，没硅胶就没带的抹，今天看完后，感觉情况比较严重，我今天得过去再搞一下。

会员614018

蓝色沸点8 发表于 2012-7-21 19:13

                               
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弱地问下，大家都用什么硅脂？最好说下品牌及型号

30元在电子城买的一大桶....型号T-311，油离度很高，经常析出很多油，不过凑合用还是可以的

会员618811

用个硅脂也这么多问题啊

会员2889

楼主，既然导热硅脂这么重要，那我就不上散热片了，只涂硅脂了{:soso_e113:}

会员614018

宇光 发表于 2012-7-23 21:53

                               
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楼主，既然导热硅脂这么重要，那我就不上散热片了，只涂硅脂了

宇总，不带你这么笑话人的

会员631601

有没有好的品牌介绍下，谢谢啦

会员81461

我用的就是一般的 也没出什么问题~~~~

会员275255

太多也不好啊。

会员619224

貌似在淘宝上买到假硅脂了，star801 24元买的，没效果

会员28305

处理好散热器和发热元件之间的结合面才是硬道理。

会员634462

白山精诚电脑 发表于 2012-7-28 16:42

                               
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处理好散热器和发热元件之间的结合面才是硬道理。

同意楼主。