散热那些事 篇十一：材料篇—铜 Or 铝？这是个问题

常言道：“铜导热快，铝散热快”。长期以来，铜、铝质散热鳍片之间孰优孰劣的争论从未曾停歇。

究竟是铜制的鳍片性能更好，还是铝材性能更佳？为什么笔记本散热器多为纯铜，而台式机散热器常为铝制鳍片？

在这篇文章里，我将从铜、铝材料的特性入手，结合散热器的设计实例，进行具体的优缺点分析。

材料特性分析：

导热系数

铜最突出的特点是导热较快。纯铜的导热率高达401W/m*K，在常见的金属中，它仅次于银（429W/m*K），远远高于铝的240W/m*K。

铜是绝佳的导热材料。因此，在散热器上直接进行导热的底座和热管上，导热率更高的铜远胜于铝材，这毫无疑问。但在负责散发热量的鳍片上，导热率这一参数还能起到如此大的作用吗？

密度和成本

铜的密度远大于铝。纯铜的密度高达8.9g/cm^3，是铝的3.3倍。因此，采用纯铜鳍片将会使散热器显著增重。

以利民经典的U120E为例，在将同一款散热器的铝制鳍片替换为纯铜后，它的全重由780g暴增至1.9kg！在风冷体积越来越大的背景下，过重的散热器塔体会对主板造成巨大的负担。

同时，铜的价格也高达铝的3倍。如果加在主板上的重量“感知不强”的话，升高50%的售价就实打实地“肉疼”了。这也是散热器普遍采用铝制的重要原因。

热容

铝材拥有更大的比热容。纯铝的比热容高达0.88×10^3J/(kg·℃)，是铜材料的2.25倍。但是，更大的比热容一定意味着更大的热容量吗？

散热器并不是能无限放大体积的产品，在实际对比中，不变的往往并不是鳍片的重量，而是鳍片的体积。和基于比热容的结论相反的是，在鳍片体积不变的前提下，铜质散热器反而能吸收更多的热量。

如前所述，铝的比热容是铜的2.25倍。然而，纯铜的密度高达铝的3.3倍！经过一番换算我们可以得知，同等体积的铜反而能多吸收约30-40%的热量。

更大的热容量意味着散热器能够更缓慢地升温，有效降低了CPU的热量堆积速度。在散热性能不足时，纯铜散热器也能延后处理器过热的时间。

但这并不意味着铝制散热器就没有优势。这里就需要引入“热对流”的概念。散热器的散热是需要流体（即空气）的对流来完成的，根据估算热对流时使用的公式：

热流量=对流传热系数×物体表面积x（物体表面同流体的温度差）

可以得知，在对流传热系数（可简单理解为风力）相同的情况下，物体表面与流体的温差越大，热流量越大，散热效果越好。虽然铝制散热器的热容小一些，但由于它升温更快，更大的温度梯度带来了更大的热流量，在散热速度上具有优势。

制造难度

一个常常被忽视的点在于，在不同材料之间进行焊接，有着不小的难度。将散热器的铜热管与铝制鳍片焊接时，往往需要过渡层——通常使用镍——辅助进行回流焊。而镍本身又是导热性不良的金属，焊料（锡）的热阻也十分之高。

由于多层低导热率物质的存在，铝材导热性不佳的缺点被进一步放大。倘若使用穿Fin工艺，又会因为铜和铝的热膨胀系数不一，而在长期使用后发生鳍片松脱、性能衰减等问题。

关于穿Fin和回流焊的细节，可以参考这篇文章：

由于是同种材料制成，热管和铜制鳍片间的焊接要容易得多。没有了后顾之忧，纯铜散热器往往使用回流焊制成。

当然，相比较软的铜，铝材在制造鳍片时会容易一些。但铜的优势在于更牢固的焊接、没有低导热率中间层的存在。因此，纯铜散热器具备更优秀的导热性能和可靠性。

应用实例：

通过前文，我们已经知道，纯铜鳍片的升温速度更慢，并能更快速地传导热量。但在热对流速度上，它们不如铝鳍片快。

铜和铝的散热特性并不相同，因而没有绝对优劣之分。唯有根据各个部位的散热需求选用不同的材料，才能在最大化效率的同时，在成本与重量间达到平衡。

那么，怎样分配铜、铝的布局与应用，才能最大化散热效率呢？这就要结合实际案例分析了。

笔记本上

在空间寸土寸金的笔记本上，往往无法布局太多的散热鳍片。它们的鳍片面积往往相对较小，甚至严重不足。

以图中所示的笔记本为例，可以看到，它后方的主出风口一侧使用了纯铜材质的鳍片，而左侧出风口鳍片为铝制。

纯铜材质的主出风口鳍片

不同于台式机散热器上热管被鳍片所围绕，笔记本的热管只有一面同鳍片相接触。在和热管的接触面不足的情况下，鳍片的导热率就显得尤为重要了。

笔记本的热管大多只有一侧同鳍片接触，台式机散热器的热管被鳍片所包围。

更高的鳍片导热率，意味着热量能更迅速地转移到鳍片，并使热量在鳍片上更均匀地分布，从而最大化地利用有限的散热面积。避免出现铝制鳍片“靠近热管的一侧热、远离热管的一侧凉”乃至“热管热、鳍片凉”的情况。

与此同时，铜制鳍片拥有更大的热容量。这允许笔记本拥有更激进的短时性能释放，延后处理器的过热时间。并且也能在一定程度上缓解笔记本的烫手感。

由于位于主出风口，较大的风量能保证鳍片上的热量被迅速带走，鳍片与空气的温差较小。因此，铜与铝之间的热对流差距缩小，弥补了铜鳍片的短板。此外，在冷热交替频繁的笔记本内，铜-铜焊接的鳍片更为牢固，不易开焊。

那么，为什么左侧出风口的鳍片要设计成铝制呢？

铝制的侧出风口鳍片

径流风扇的风力流过主出风口，已经衰减了大半。在侧出风口上，风扇的风压已经无力将鳍片吹透。

如前所述，铝鳍片能创造出更大的温差，从而令自身的热对流更快。因此铝鳍片升温快，降温也快。在风力不足以迅速带走鳍片热量时，温度梯度更大的铝鳍片拥有更好的散热性能。

同时，铝的重量较轻、成本较低。使用铝制鳍片，也有减轻笔记本重量、控制散热模组成本的考虑。

不过，由于铝的导热率不佳，因此，可以看到两侧的鳍片在尽可能地“围绕”乃至“包裹”热管，以增大和热管的接触面积，提高热传导效率。

但是，精巧的设计也有不足的地方：这款笔记本的铜热管完全没有镀镍，焊接可靠性存疑。它在长期使用后可能导致开焊。

台式机上

在台式机的散热器上，鳍片面积已经不是最大的掣肘。瓶颈已经由“热传导”转移到了“热对流”之上。在此基础上，又分为塔式散热器和下压式式散热器

由于塔式散热器普遍体积较大，如果换用纯铜鳍片，重量和成本都将爆增。因此，考虑到成本和使用难易度，塔式散热器往往会采用铝制鳍片。

仅有极少数高端散热器使用了纯铜或铜铝混合散热片，并且相比大幅增加的成本和重量而言，它们的性能并没有与之匹配的提升。

采融SuperMega镶铜散热器。仅在风力最强的部位镶嵌了铜鳍片，便增重达25%。

性能提升……聊胜于无

由于纯铜散热器太过沉重，尽管暂时没有观察到主板出现问题的迹象，但利民不建议将重达1.89kg的TRUE Copper垂直安装，也不建议用户在安装TRUE Copper后移动机箱。纯铜散热器的“威力”可见一斑。

猫头鹰U12A：错落布置的热管

为了最大化铝质鳍片的性能，弥补其导热率不足的缺陷，塔式散热器的热管往往错落排放，以尽可能地保证鳍片受热均匀，提高热管的传热效率。

同时，由于铝材升温更快、能创造出更大的温差，在风力不足以迅速带走鳍片热量时，铝鳍片拥有更好的热对流性能。因此，在大尺寸的被动散热器上，往往会采用硕大的铝鳍片，并同时增大间隙、设置开孔，以让机箱内的对流更好地流过散热器。

猫头鹰NH-P1：可见错落的热管和鳍片开孔

而在下压式散热器上，往往面临着和笔记本相近的局面：空间捉襟见肘、鳍片面积不足。因此，所采用的设计方案也较为接近。

所谓“二次焊接”，就是在尽可能增大热管与鳍片的接触面积的同时，避免鳍片受热不均匀的问题。这项工艺对铝制鳍片的散热器而言提升很大。

同时，由于下压式散热器的本体较为小巧轻便，为了在有限的散热面积压榨散热性能，也有纯铜型号。尽管本体重量和价格均暴增，但仍然在可以接受的范围之内。

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以AXP90-X47为例：同一设计的散热器，纯铜版比铜铝混合型号贵了将近一倍！

总结

简而言之，铜材质升温更慢、传导热量更快，但热对流速度不如铝快。因此，铜质鳍片需要更为强力的风扇，以快速带走鳍片上的热量。

而铝升温更快，能创造出更大的温差，在风力无法吹透散热器时，铝材质能最大化散热性能。

如果瓶颈在于热容量、鳍片规模和导热效率上，铜优于铝，因为铜的热容量大、可以充分利用鳍片面积。

如果瓶颈在于用风将热量带走这一步，则铝优于铜，因为铝的热对流效率更高。因此，铝鳍片需要更大的面积，而铜鳍片依赖更大的风力。

具体到散热器设计上，在风扇性能不足时，铝优于铜。在热管性能不足或散热器的鳍片规模不够大时，铜优于铝。

当然，纯铜注定成本高昂。但在压榨散热潜力，却又要将重量控制在可接受范围内时，即便是铝材也需要付出巨大的加工成本。

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前文中提到的猫头鹰U12A与猫头鹰P1因此而不便宜。当风冷发展到极限之后，每一分进步都将以成本为代价。

本篇文章到这里就结束了，如果你希望了解更多散热方面的内容，可以看看这些文章：

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