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2021-12-28 凱文蔡說材料

熱管理?顧名思義,就是對「熱「進行管理,英文是:Thermal Management。熱管理系統廣泛應用於國民經濟以及國防等各個領域,控制著系統中熱的分散、存儲與轉換。先進的熱管理材料構成了熱管理系統的物質基礎,而熱傳導率則是所有熱管理材料的核心技術指標。

導熱率,又稱導熱係數,反映物質的熱傳導能力,按傅立葉定律,其定義為單位溫度梯度(在1m長度內溫度降低1K)在單位時間內經單位導熱面所傳遞的熱量。熱導率大,表示物體是優良的熱導體;而熱導率小的是熱的不良導體或為熱絕緣體。

5G手機以及硬體終端產品的小型化、集成化和多功能化,毫米波穿透力差,電子設備和許多其他高功率系統的性能和可靠性受到散熱問題的嚴重威脅。要解決這個問題,散熱材料必須在導熱性、厚度、靈活性和堅固性方面獲得更好的性能,以匹配散熱系統的複雜性和高度集成性。

全球智慧型手機、平板電腦行業步入 5G 時代,隨著智慧型手機對輕薄化、小型化設計的追求,手機內部集成電路晶片和電子元器件體積不斷縮小,其功率密度卻快速增加;手機CPU頻率正迅速提升,同時封裝密度也越來越高、機身越來越薄,其功率密度卻快速增加,但由於手機硬體配置的逐步提高、CPU多核高性能的升級,以及通信速率的提升,散熱問題已經成為電子設備亟需解決的問題,進而驅動對高散熱性能材料的需求。

一旦散熱問題處理得不好,就會造成智慧型手機卡頓、運行程序慢、燒壞主板甚至造成爆炸的危險,所以散熱將成為整個智慧型手機行業面臨的主要問題之一。

散熱原理包括熱傳導熱對流熱輻射,其中熱傳導、熱對流為主。熱傳導是直接接觸帶走熱量,如電腦CPU散熱片底座與CPU直接接觸帶走熱量;常用電風扇原理是熱對流,散熱風扇帶動氣體流動進行散熱;熱輻射指的是依靠射線輻射傳遞熱量。其中熱傳導和熱對流是散熱系統主要方式,熱傳導主要與散熱器材料的導熱係數和熱容有關,熱對流則主要與散熱器的散熱面積有關。

根據熱傳導和熱對流方式不同,散熱分為主動散熱被動散熱兩種方式。通常我們所說的被動散熱,就是cpu只採用的是散熱片,其氣流通常由側面安裝的風扇完成推動工作;主動式散熱是我們常見的方式,就是在散熱片上面還加裝了一個風機。目前桌上型電腦和筆記本電腦採用主動與被動結合的方式散熱,手機終端、平板電腦等輕薄型消費電子受內部空間結構限制,多採用被動散熱方案。在智慧型手機上主要的發熱源包括這五個方面:主要晶片工作、LCD 驅動、電池釋放及充電、 CCM 驅動晶片、PCB 結構設計導熱散熱量不均勻。

對筆記本來說,散熱系統是非常重要的一環,它直接影響了筆記本CPU/GPU的性能發揮,以及是否能持久,什麼樣的散熱系統才是好的散熱系統呢?

筆記本的CPU(處理器)和GPU(顯卡)幾乎決定了一款產品的性能和定位,雖然它們只是一塊小小的晶片,但它們在運行過程中也會產生非常非常多的熱量,而且在追求輕薄的趨勢下,筆記本的內部空間被壓縮的越來越小,散熱變的尤為重要,如果沒有散熱系統,它們就會「DOWN機」。

如果溫度過高,它就會停止工作,就會出現藍屏、死機、重啟的情況。

散熱的好壞也會影響使用的舒適度,也就是使用中C面(鍵盤)和D面(底殼)會不會很燙,散熱系統是非常重要的一環,越高性能的產品對散熱的要求就越高。

散熱系統的組成部分,從筆記本內部來看它一般包含均熱板、熱管、散熱鰭片和風扇;從外部看來,它還包含筆記本的進風口和出風口。

在整個散熱系統中和「熱源「接觸最親密的就是導熱片,它一般是一個打磨的非常光滑的銅質金屬片,它的任務就是迅速將晶片(CPU/GPU)產生的熱量導出,實際上在導熱片和晶片間有一層介質就是矽脂,它作用在於填充導熱片和晶片之間縫隙,將兩者的接觸面積最大化。

不過矽脂只是散熱系統中的一環,而且是比重比較低的一環。

在導熱銅片周圍一般還會有一些的金屬均熱板,因為除了CPU、GPU外,主板上的其它器件,包括顯存、晶片組、電感等等也會產生熱量,好的散熱系統會採用儘量大面積的均熱版甚至覆蓋整個PCB主板區。

在這些元器件和金屬板的接觸面一般還會貼有導熱矽膠墊片,包括固態硬碟,一些產品也會為其貼這種導熱墊片。

熱量由導熱板導出,下步就來到了熱管部分,熱管一般採用純銅材質,由於筆記本內部空間有限,熱管一般都呈扁平狀。

熱管是一段中空的金屬管,內部填充有冷凝液,它的基本工作原理就是在熱管的高溫端(晶片端)和低溫度端(散熱鰭片端),形成冷凝液蒸汽⇌冷凝的流動循環,周而復始的形成熱量的傳遞。

增加熱管的數量或者增大單根熱管的橫截面積,也就更寬的熱管,可以增加散熱效果。

熱管的布局也會對散熱效率造成有影響,一般來說應儘量減少熱管的長度和彎曲程度,也就是CPU和GPU應儘量靠近散熱鰭片和風扇,減少熱量傳導的距離。還有就是熱管儘量避免靠近內存、固態硬碟等其它熱源。

目前的輕薄本多數採用的都是熱管貫穿CPU和GPU的方式,而遊戲本往往採用的是主熱管貫穿CPU和GPU的同時,再為CPU、GPU配置獨立的熱管,來到達均衡導熱的目的。

另外少部分產品採用了比熱管效率更高的方案,比如Y9000X採用的真空腔均熱板的方案,當然這種方案的成本要比熱管高很多。有廠商還提出均熱板+石墨片散熱方案,熱管還是目前絕對多數筆記本會採用的導熱器件。

熱量經由熱管來到的下一站就是散熱鰭片,它通過密集的鰭片和空氣接觸,用對流的形式將熱量散發掉。隨著筆記本向著輕薄化發展,散熱鰭片的「個頭」被壓縮的越來越小。

提升散熱鰭片導熱效率的方法往往就是增加它和數量和葉片密度,當然即使這樣單靠散熱鰭片被動散熱也遠達不到筆記本的散熱需求,所以需要風扇的幫助。

臺式機散熱器多為鋁鰭片,筆記本上就像剛才我們提到的,鰭片的面積很小,而且和熱管連接部分幾乎被熱管完全覆蓋,和空氣的接觸面小,堆積在鰭片上的熱量幾乎全靠風扇往外吹,所以能夠快速傳導熱管熱量的銅更適合筆記本。

臺式散熱器的風扇為軸流結構是小個電風扇,而筆記本的散熱器為渦輪結構,更像鼓風機。

採用金屬葉片也是一種方法,同等條件下金屬葉片要比普通塑料葉片的風量更大,但製造工藝難度和成本都比較高,而且易變形,所以在為採用金屬風的產品清灰要更加留意不要暴力操作。

另一種方法是採用「仿生設計」,比如掠奪者遊戲本主打的「刀鋒速冷風扇」,它除了採用了金屬葉片外,根據貓頭鷹翅膀的原理將葉片設計成了異型鋸齒狀,帶來更大風量的噪音也得到了一定控制。

目前主流配置的輕薄本噪音40分貝以上是正常,而遊戲本50分貝以上也是正常水平。這都是高負載運行時的噪音,絕大多少筆記本都會根據CPU/GPU的負載和溫度自動動態調整風扇的轉速。

在待機和運行一些低負載的應用時,如瀏覽網頁,WORD打打字,風扇轉速時非常低的,甚至是停轉的,只有在玩遊戲、運行一些專業軟體等高負載應用時風扇才會高速運轉。部分產品還會設置有用戶可控的風扇轉速,比如一些遊戲本會設置有「一鍵速冷」或「一鍵加速」按鍵,這些按鍵也被玩家調侃為「一鍵起飛」。

既然風扇要把熱量吹出去,那出風口的設計也是很重要的,主要體現出風口的位置和數量。

輕薄本更加注重纖薄便攜,為了壓縮機身減少厚度,往往採用下沉式轉軸設計,而出風口一般位於後邊框,在打開屏幕後,B面底部會遮擋部分風口,影響散熱效率,好在輕薄本採用的CPU/GPU都是相對低功耗的產品,這種設計對散熱的影響並不明顯。

而遊戲本產生的熱量要比輕薄本大很多,為了避免遮擋出風口,遊戲本多採用立式轉軸設計,另外除了後部出風口外,一些遊戲本還會在左右邊框開出另外的出風口,這樣可以增加散熱鰭片的數量,也可以更高效的將熱量吹出。

有出風就要有進風,筆記本的風扇是渦輪結構,要「吸風」才能「出風」,筆記本內部也要和外部形成冷熱空氣的循環,也就是所謂的「風道」。大多數筆記本都會在筆記本D面開出網格或柵格來提升進風量,所以如果底部腳墊高度不夠,就會影響進風效率,這也是江湖流傳已久的「瓶蓋大法」的由來,通過墊高底部來提升進風量,一些輕薄本採用的翹臀設計也是同樣的原理。

很多筆記本後部的腳墊會採用長條形的,它其實還起到了阻隔後部吹出的熱風回彈到進風口的作用。如果仔細觀察進風網格(柵格),我們還能發現很多筆記本會在內部附有一層防塵網,而部分產品為了獲得更大的進風量而取消了防塵罩網,弊端就是更容易進灰。除了底部進風外,一些相對高端些的遊戲本還會在C面配置進風孔,從而增加進風量,也能形成更加有效的立體風道。

總之散熱系統的首要任務就是要保證CPU/GPU長時間高效的工作,與此同時能還要保證用戶使用時的體感溫度。關於改善體感溫度,除了需要高效的散熱系統外,還可以通過改變筆記本的設計布局來實現。

比如通過改變主板CPU/GPU位置將高溫區域儘量往上推,將其推離我們最常用的鍵盤區域。很多遊戲本還會採用帶「屁股」的設計,它其實也是為了讓熱量堆積比較多的鰭片區儘量遠離用戶常接觸的區域。而一些採用了發燒級硬體,或追求極致輕薄的遊戲本,在保證性能釋放前提下,很難兼顧表面溫度,於是有了下沉式鍵盤的設計,也就是將鍵盤下移至C面下部,將C面上部高溫區域空出來,這樣即使上部再熱,也不會影響使用的體感。

其實CPU/GPU 是比較「耐高溫」的,它的過熱保護機制要到100℃左右,我們在做測評時也經常看到一些筆記本在烤機測試時核心溫度到了90℃上下依然是比較穩定的。而筆記本廠商在往往會根據產品性能、散熱和產品定位設置不同性能調校模式(溫度牆或功耗牆)

保守的做法是,「未戰先慫」,設置較低的溫度牆,一旦超過這個溫度,立馬對CPU/GPU降頻,犧牲性能來保證涼爽的溫度,這類產品使用體感和核心溫度都不錯,但性能釋放不足。這類產品有時還會出現一個現象就是跑分有時很高,但長時間高負載時比如遊戲會出現卡頓,掉幀。這是因為單次跑分時核心溫度可能還不足以觸發溫度牆,但長時間高負載時會觸發了溫度牆,性能釋放會出現曲線波動。

激進的做法是,「寧熱不降頻」,優先保證性能釋放,核心溫度高讓它高,只要不藍屏死機就行,反正也不會燒毀硬體,表面溫度熱就讓他熱,只要不燙到不能用就行。這類產品,其實性能釋放是比較不錯的,但會給人留下散熱不好的印象。

當然最好的就是均衡的做法,「性能和熱量兼顧」,在優秀的散熱系統的幫助下,為溫度和性能釋放找到一個絕佳的平衡點,這類產品的性能釋放可能不是最好的,但已經是比較不錯了,而且核心溫度和表面溫度也都能控制在一個比較好的水平。

在筆記本內部狹小的空間內,熱量控制要比較臺式機困難的多,這也是筆記本向更輕薄道路上發展的主要障礙,它直接影響了筆記本CPU/GPU的性能能發揮多少,以及是否能持久發揮。所以在選購筆記本時只看配置是不科學的,判定一款產品好壞有很多因素,散熱就是其中非常重要的一環。

聲明:以上部分資料圖片轉載於網絡平臺"5G材料觀察「,用於交流學習。如有侵權請告知,立刪。

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