散热那些事 篇十一:材料篇—铜 Or 铝?这是个问题

2022-11-27 12:46:57 46点赞 47收藏 46评论

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:

材料篇—铜 Or 铝?这是个问题

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。

材料篇—铜 Or 铝?这是个问题

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材料篇—铜 Or 铝?这是个问题

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。

材料篇—铜 Or 铝?这是个问题

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。

材料篇—铜 Or 铝?这是个问题

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。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。材料篇—铜 Or 铝?这是个问题

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

材料篇—铜 Or 铝?这是个问题

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%。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。

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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:

希望这些文章能帮到你!材料篇—铜 Or 铝?这是个问题

作者声明本文无利益相关,欢迎值友理性交流,和谐讨论~

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46评论

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  • 根据这个结论,看来想静音的话,还得是大面积的铝鳍片配上低速风扇

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    没错。利民在著名的被动散热王者HR-02、HR-22上,就是这样搭配的。 [赞一个]

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  • 先收藏打赏,晚上看,谢谢老哥还专门回复我 [赞一个]

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    不客气,感谢支持! [赞一个] 如有问题欢迎继续交流

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  • 成本问题,还是更喜欢纯铜的,15年前纯铜的散热还有很多产品,现在少的可怜。 AX90-47,双十一203买的,结果主板用不了,退了,哎

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    相似定位的还有快睿C7,不过价格高不少。或许可以看看。 [观察]

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    纯铜的太沉了

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  • 纯铜鳍片的一个巨大缺点,氧化之后比铝难看的多,除非动手能力强,自己能整酸洗。
    完全体还是纯铜镀黑镍,做出来很漂亮,但是就更贵了。

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    似乎是出于环保原因,现在已经几乎见不到镀黑镍的产品了 [喜极而泣]

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  • vk水冷换AXP90-X47 FULL,结果上得太紧,导致我的12400四角弯曲。还在悲痛中。。。。。。

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    这………节哀顺变 [喜极而泣]

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  • 纯铜U120E太漂亮了,闲鱼炒到3K多 [装大款]

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    这些都是风冷巅峰时代的情怀啊 [装大款] 恐怕TrueCopper是最后的纯铜旗舰,前无古人,后无来者了 [哭泣]

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    雀食,问过国内利民,说利润太低不做了 [皱眉]

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  • 初版银箭我也收藏了,后来还是卖了 [傻笑]

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    不知初版银箭这一代的镀铬怎么样,比较在意这些老散热器的氧化 [喜极而泣] 我自己的IB-E已经有点不成样了

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  • 老哥很专业,赞👍 [赞一个] [赞一个]

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    感谢支持! [赞一个] 我还会更新更多这方面内容的

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  • u120e純銅….現在還在用

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    TrueCopper!非常经典的稀有产品啊 [赞一个]

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  • 写的非常好呐 那么M.2散热器 是铝块比铜块 合适喽 M.2散热一般都吃不到什么风的

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    要取决于使用环境。
    对日常使用而言,硬盘一般偏向于突发读取,因此铜的大热容有优势。
    对大文件拷贝,以及部分待机功耗都特别高的硬盘来说,体积大一些的铝鳍片有优势。

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    感谢指点 [棒棒哒]

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  • 同体积铜完爆铝,但是同质量铜是铝的9倍价。成本爆炸。。。

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    其实对高端散热器来说,设计成本大于制造成本。关键在于,主板受不住同体积的铜啊 [喜极而泣] 2kg的单塔,PCB都哭了

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    到最后主体的形状基本固定,穿管位置也是微调。也就只剩下风扇有些技术含量。轴承和扇叶造型。

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  • 应该开发更轻、传热接近于纯铜,都是价格也能接受的新型金属材料或者非金属材料来制造散热器

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    ***开发新材料也不可能是PC散热器领域去做,别的高精尖行业开发淘汰,多年后PC散热能舔口盘子搞搞就不错了。

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    PC散热领域的厂家,不乏LED灯具行业转行 [装大款] 因为铜铝是其剩余的材料。

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