为什么CPU越来越多地采用硅脂而不是焊锡散热？

姓名:颜皓 学号:16020140084 电子工程学院

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【嵌牛导读】Intel在IvyBridge后越来越多的采用硅脂散热，甚至价格昂贵的X系列也不能幸免。超频爱好者开盖方便的同时，广大普通消费者则心有疑惑。数千元的高端系列为了省几块钱，牺牲了散热，这样真的合适吗？硅脂越来越流行的原因是什么呢？

【嵌牛鼻子】CPU、散热、焊锡、硅脂

【嵌牛提问】CPU越来越多地采用硅脂而不是焊锡散热的原因是什么？

【嵌牛正文】Intel在IvyBridge后越来越多的采用硅脂散热，甚至价格昂贵的X系列也不能幸免。超频爱好者开盖方便的同时，广大普通消费者则心有疑惑。数千元的高端系列为了省几块钱，牺牲了散热，这样真的合适吗？硅脂越来越流行的原因是什么呢？

首先，硅脂热扩散性能的确不如焊锡，这是毋庸置疑的。但CPU的硅脂也不是廉价的普通硅脂，更不是很多人调侃的Toothpaste。使用硅脂的确是为了节约成本，当重点并不在于散热材料本身，而有更深层次的原因。为了更清楚的理解背后的原理，我们来了解一些CPU的基本知识。

CPU的构成

早期的CPU上面并没有我们看到的盖子：

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奔腾3

Die是由一团黑色的填充物Underfill固定在基板上，再在上面涂上硅脂然后上上散热片。随着Die产生的热量越来越多，加上很多人为了让散热片更紧密的和Die贴合而压坏了Die，Intel开始在Die上面加上保护盖和，形成我们现在看到的台式机CPU的基本模样：

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它由很多层组成：

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IHS：Integrated Heat Spreader。它就是我们看到银色盖子。有人以为它是铝做的，实际上它的主体材料是铜，因为铜的导热性高。它是银色的是因为表面镀上了一层镍。用镍做表面可以和上面的硅脂更有亲和性：

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在铜盖上面的导热材料叫做TIM2(Thermal Interface Material)，在铜盖下面的导热曾叫做TIM1。铜盖可以将Die的热量带到更大的范围，并通过TIM2将热量带到更大规模的散热系统（Heat Sink）中，方便散热。

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TIM1：它是Die和IHS的导热材料，也就是我们今天的主角。Intel在之前更多的是采用Solder的形式，用焊锡将Die和铜盖贴合在一起。在为超频爱好者开盖带来麻烦（开盖有奖）的同时，也能够更好的将热量从Die带到IHS上，并散发出去。

看过我们前面几篇专栏文章的朋友们都知道，温度是CPU寿命的大敌（CPU能用多久？会不会因为老化而变慢？），同时温度过高也会造成降频等问题（CPU风扇停转后会发生什么？CPU凭什么烧不坏）。那么为什么后来用硅脂会愈来愈多了呢？是什么发生了变化？实际上CPU Die越变越小，从而热密度上升是个很大的原因。

CPU Die越来越小了

Intel不断地提高制程，追逐着摩尔定律。制程提高，单位面积的Wafer可以做出更多的晶体管，而且单位晶体管的发热也会降低，从而可以提高主频，更多的挖掘计算潜力。综合来看，Intel的CPU晶体管的数目符合摩尔定律，但Die的尺寸却在不断缩小：

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图片来源：AnandTech

从红色曲线，我们可以看出从Westmere开始，Die尺寸逐渐变小，在Skylake时达到最小值。

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而CPU功耗不变或者略有提高，整体下来热密度上升很快。热密度上升了，不是更应该加速散热吗？

千里之堤毁于蚁穴

CPU Die的热膨胀系数CTE（Coefficient of Thermal Expansion）低于基板（参考资料2），温度提高后，变形小于基板：

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热密度上升很快后，Die会变长一点，而基板则变得更长一点。而IHS铜盖则因为和散热系统接触，比较坚硬，变形很小。他们之间伸缩比不同，焊锡TIM1形成的硬连接会造成CPU基板变形，可能毁坏基板或者Bump：

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图片来自OverClocking

更糟糕的是焊接中留有的肉眼看不见的气泡，会大大加剧这种变形，随着CPU使用，焊锡中可能出现的裂痕也会加重这种效果。就像火车轨道会留下伸缩缝，硅脂TIM1连接可以为不同伸缩比的Die和铜盖留下缓冲的空间，从而消除这种危险。

大点的Die可以让热量更好的散布到基板和IHS上，单位面积形变也小。而小的Die则会加剧这种现象，更容易出现问题。

OverClocking的一篇文章（参考资料1）列出了变形可能造成硬件损伤的原因，大家可以一看。

结论

焊锡连接难度很大，如何将硅材料焊接在铜盖上是个很大的问题。材料不得不做多次处理，才能保证有效贴合：

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图片来自OverClocking

即使这样，焊锡也会对成品率和生产成本造成负面影响。加之热密度上升造成的焊锡工艺难度加大，芯片厂家不等不寻找替代方案。所以我们看到自IvyBridge这个Die变得很小的点开始，硅脂TIM1登上台面并越用越广。

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用硅脂做TIM1对一般用户没有任何影响，所有的CPU在TDP之内都工作十分出色，这是由封测保证的。于此同时又降低了成本，降低了风险，何乐而不为呢？

对超频玩家来说，硅脂TIM1让开盖无忧，可以自行尝试各种TIM1材质，结合强劲的散热系统，可以挑战更高的频率，也是好事一件。不过要提醒一般用户，开盖后没有了质保，高温影响寿命，要谨慎从事。