柚木

为什么CPU越来越多地采用硅脂而不是焊锡散热?

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(锡铟合金),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:

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:

它由很多层组成:

  • 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:

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。

  • 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,用钎焊将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:

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。

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:

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:

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

钎焊连接难度很大,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:

图片来自OverClocking

即使这样,钎焊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钎焊工艺难度加大,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。

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。

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参考资料:

[1]: The Truth about CPU Soldering - Overclocking.Guide

[2]: Performance Characteristics of IC Packages