論散熱設計的重要性！復合合金冷板在筆記本散熱上展示優勢

       對于一款筆記本電腦來講，除了性能要強大、身形要輕薄外，出色散熱性也是大家關注的重點，畢竟誰也不想隨身帶著個“火爐”工作或學習。那么這就對筆記本廠商提出了要求，既要不增加筆記本厚度還要有強勁的散熱能力。

       如果大家經常關注筆記本的拆機圖，就不難發現風扇和散熱鰭片都特別占用空間，很多高端游戲本甚至需要搭配雙風扇+四組鰭片才能解決散熱的隱憂。如果筆記本想實現更性感的輕薄化設計，拿厚實占地兒的風扇和鰭片“開刀”就在情理之中了。

當筆記本取消了風扇（包括鰭片），它能獲得如下好處：

       在搭配SSD時可以營造一個零噪音的工作環境；

       可以實現更輕薄小巧的外觀設計；

       可以塞進更大的電池，獲得更持久的續航。

       以華為MateBook X 2020為代表的極致輕薄型筆記本（13.6mm，1kg）就享受到了這3個優點。實際上，這種無風扇的被動式散熱并非華為獨創，在很多極致輕薄的筆記本和二合一設備上我們也經常可以看到類似的設計，其中最具代表性的就是微軟Surface Pro系列。

Surface Pro 6拆機圖，左上角的凹槽是預留給高配版的風扇位置

        最近幾代的Surface Pro都延續了一種策略：搭載i3和i5的低配/中配型號采用無風扇的散熱模塊，通過多根熱管和大面積的石墨貼片實現被動式散熱。

無風扇的代價

        在輕薄本領域，1個風扇、1組散熱鰭片，1根8mm寬度的熱管（如果是獨顯平臺需要雙熱管或雙風扇）是確保15W TDP處理器高水平發揮的基礎。

        如果取消了其中的風扇和鰭片，單靠熱管很難疏導處理器的發熱量，很容易觸發降頻機制而導致性能驟降。

        因此，英特爾才會在15W TDP的U系列酷睿的基礎上，衍生出4.5W~9W TDP的Y系列酷睿處理器，通過進一步降低主頻和睿頻頻率，以滿足無風扇的被動式散熱環境。

MateBook X 2020內部設計

       MateBook X 2020屬于比較特殊的存在，它雖然沒有內置風扇和鰭片，但選用的卻是15W TDP的i7-10510U或i5-10210U。為了提升散熱效率，這款產品取消了傳統的熱管，改用大面積的VC散熱板），并將VC散熱板與轉軸緊密結合，可以將熱量通過轉軸向屏幕后側的A面傳遞，從而獲得更大的散熱面積。

MateBook X 2020內部設計

       但即便如此，MateBook X 2020的無風扇設計也需要付出極大的代價。在AIDA64的CPU單烤測試中，i7-10510U在滿載時的實時功能只有7W，主頻也只能維持到1.8GHz左右，基本就是Y系列處理器的性能表現。

復合合金冷板在筆記本散熱上展示優勢

       目前，采用熱管、散熱片和風扇組合的冷卻系統在筆記本電腦熱管理市場占主要的份額，是應用最為成熟，性價比最為突出的筆記本電腦散熱方案。

       筆記本電腦一般采用2-3根，甚至多達5根的扁平熱管將CPU或GPU芯片的熱量傳遞到散熱片上，然后用風扇的氣流將熱量帶離散熱片耗散到空氣中。熱管一般焊接在銅材料冷板上，再通過涂抹薄層熱界面材料（導熱硅脂）與CPU或GPU芯片接觸進行熱交換。芯片的熱量首先要透過冷板，才能傳遞到熱管。

       設計師基于材料的發展現狀與散熱模組整體成本等因素綜合考量，經常選擇銅作為冷板材料。最近，英特爾的研究人員發現，用熱導率更高的復合合金冷板來替代傳統的銅冷板，筆記本的散熱系統顯示出更高的效率，給設備帶來顯著的性能提升。

       研究成果發表在2020年第19屆IEEE電子學會熱力學和熱力學現象研討會（ITherm）上，題目為《Relative Thermal Burst Performance Comparison with the Use of Copper and Silver-diamond Composite as Cold Plate Materials Below Heat Pipes in Notebooks》，作者是英特爾公司的Sankarananda Basak博士。

圖1：銀-金剛石合金冷板替代傳統銅冷板對筆記本電腦散熱影響的研究成果發表于IEEE

測試系統

       為測試高導熱系數冷板材料對冷卻系統的影響，研究人員創建了僅包含筆記本電腦CPU SoC區域的簡化CFD模型。3根扁平熱管用于傳遞SoC熱量，熱傳遞路徑上包含了熱界面材料（TIM）、冷板、熱管等主要導熱材料，下面SoC的垂直堆疊圖反映了散熱系統的構成。

圖2：采用熱管冷卻的SoC垂直堆疊示意圖

突發功率提升10%至12%

       研究人員將銀-金剛石冷板替代傳統銅冷板，并對筆記本散熱系統進行測試及CFD仿真后發現，銀-金剛石冷板更有助于SoC散熱， 突發功率在SoC最高溫度達到T_j_max閾值前可以持續更長時間 。銀-金剛石復合材料可使筆記本電腦在3-5秒鐘內的短期突發功率增加10%-12％，帶來更強勁的計算性能。

熱量傳遞平衡，避免熱管干燒

       SoC熱點區域并不會均衡分布在熱管之間，CFD仿真發現，SoC熱點位于中間熱管下方時，銅冷板不能快速的將熱量往四周擴散，產生熱流不平衡；在突發功率持續時間內熱量更多的進入中間熱管，而兩側熱管通過較少的熱量，這可能導致中間熱管干燒問題，并降低了系統的整體熱效率。

       冷板材料的導熱系數為385 W / mK，而銀-金剛石合金材料的導熱系數高達900W / mK，更高的導熱系數意味著SoC熱量在冷板中能夠更快速的擴散，冷板各處的溫差更低。事實也證明了，合金材料冷板中的熱量分布更加均勻，熱量平衡的傳遞到三根熱管中，避免了過多熱量傳遞給中間熱管，提高了熱管的利用效率。

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