超齊全散熱膏橫向評測

 

想了想,本刊好久沒有做散熱膏專題了,一來現今零組件發熱設計得宜,散熱問題早已不可同P4噴火龍時代而語;二來現今網路發達,口耳相傳的「神膏」已不復見,散熱膏原理與材料講穿了也不過幾句話,消費者變聰明了,

廠商自然少了施力空間。

即使如此,對散熱膏這玩意充滿疑惑的讀者仍不在少數,到底價差相差許多的高價散熱膏是不是真有神效?什麼時候才需要更換散熱膏?又應該怎麼塗抹散熱膏才是最適當的?本著DIY精神,我們特地收集了市面上常見的、買得到的散熱膏,總數多達27款,並且一一加以評測,希望給大家有一個參考的方向與依據。

 

 

■ 散熱膏的功用

簡單來說,散熱膏只為了一個目的而存在──作為熱源與散熱器中間熱傳導的「介質」。這邊我們就以系統一大熱源-CPU來說好了,CPU產生的廢熱傳送途徑是這樣的:首先內部晶片運作所產生的熱度,會先傳導至CPU外蓋,外蓋再傳導至散熱器底座接觸面,不同形式的散熱器再經由不同的傳導方式(熱導管、銅、鋁、水冷液),傳導至一片一片的鰭片上,鰭片最後再與冷空氣進行熱交換,達成散熱的目的。

由於外蓋以下的熱傳導處理方法我們無法得知,因此CPU廢熱所見的第一道關卡就是外蓋,讀者應該看過CPU外蓋長什麼樣子,CPU外蓋除了打上型號、代號、時脈等資訊以外,還滿佈了許多肉眼可見的直線髮絲紋研磨痕跡,表面處理相當不平整。而且即使是GPU或是PCH等沒有外層金屬外蓋的晶片,也不會是完全光滑的表面。

圖 / CPU外蓋充滿了許多肉眼可見的研磨痕跡

 

 

 

再來,就是與外蓋接觸的散熱器底座了,拆裝過散熱器的讀者一定知道,很明顯的,底座接觸面平整度並不比CPU外蓋要來得好上多少。即使許多廠商推出標榜鏡面的底座接觸面,但以高倍數顯微鏡來看,依然充滿了細小的溝槽以及空隙,不可能完美無缺。因此,當CPU與散熱器底座兩個異質材料、而且凹凸不平的接觸面相貼之後,即使施加的扣具壓力再大,中間還是存在著許多縫隙,而這些縫隙之中,便充滿著許多「空氣」。

 

圖 / 具有HDT設計的底座接觸面,空隙與溝槽更加明顯。

 

 

 

如此一來,從CPU到底座的熱傳導路徑,便會受到熱傳導係數低落的空氣阻礙,造成接觸熱阻(contact resistance)上升,降低到終端的散熱效率。若不明白為什麼空氣會阻礙熱傳導的讀者,下面會以簡單的數學公式闡釋,但可以先想想,生活中的熱水瓶為什麼可以隔絕溫度?就是靠著一層空氣不是嗎?(當然更高級的熱水瓶會依賴真空)所以,這就是為什麼需要加上一層散熱膏的原因,我們需要一個高熱傳導係數(至少要比空氣高),又能夠變形的熱介面材料(thermal interface materials)來填補這些空隙。

 

 

 

圖 / 空氣的熱傳導值相當差,幾乎可以忽略不看,因此需要一層熱介面材料幫助傳導。

 

 

 

■ 必也正名乎?

講到這裡,想必聰明的讀者看得出來,所謂「散熱」膏,目的是作為「傳導熱量」的中介,用途並非作為熱能傳導終點的「散熱」,它可不像涼膚霜或是肌樂一樣,擦在身體就會自然吸熱發涼了。因此,如果真要講究,稱作「導熱膏」會是比較精確的說法。

但本刊畢竟不是國文課本,鑽牛角尖在名詞之上筆者認為沒有意義,否則防摔衣也不防摔、嬰兒油沒有嬰兒。既然約定俗成、通俗稱之,以下我們還是以順口的「散熱膏」作為稱呼。換個角度想,既然散熱膏是為「散熱系統」的一部分,稱作散熱膏亦沒有問題,能夠明白它的功用以及時機才是最重要的。

 

 

■ 從公式看起散熱膏

在繼續往下講以前,需要了解一些簡單的物理化學名詞,這有助於更多的理解。首先,小學就知道熱能的傳播方式有三種:傳導、對流以及輻射。我們這邊所談的熱能路徑,都是固體與固體之間進行的熱交換,也就是依賴三者當中的「傳導」,這很容易明白。

接著我們要了解物理材料所謂的熱傳導係數,也就是俗稱的「K值」。熱傳導係數代表材料傳導熱能的效率,單位為W/mK(K是熱力學中的開爾文溫度,亦也可直接換算成W/m℃),數值越大代表材料導熱效率越好,能夠越快速的把熱從A點傳導至B點。要提醒的一點是,「熱傳導」與「比熱」是完全不一樣的物理關係,比熱可以看做材料容納熱能的能力,而熱傳導則是材料傳遞熱能的能力,兩者無絕對換算關係。

除了熱傳導係數以外,有的散熱膏在包裝上還會標記另外一項「熱阻值」,俗稱「R值」。熱阻值代表材料在單位面積下,熱量能夠穿過的能力,單位為m2K/W。R值越高,代表材料阻止熱量通過的能力越好,因此就散熱膏而言,R值是越小越好。

圖 / 一般散熱膏在外包裝上都會標示K值與R值,但實際效果還是得測了才知道。

 

 

 

最後,我們需要知道熱傳導的數學公式

Q=KA △T/L
Q是傳導熱流量(W)
K為熱傳導係數(W/mK)
A是傳導面積(m2)
L是傳導距離
△T表示點與點之間的溫度差

 

由於我們這邊討論的是散熱膏,因此把散熱系統化為最簡單來看,Q是整個散熱系統的熱流量;K為散熱膏之熱傳導係數;A為散熱膏塗布面積;L的話,由於電腦散熱系統牽扯許多材料與因素,因此我們將之摒除(譬如散熱器款式、材質、熱導管效率blabla……),純粹把它看做散熱膏的厚度就好;△T方面,由於這邊討論的不是單一材料,因此可以略過不談。

所以說,若要追求解熱能力最大值(Q),以中間介質的角度來看,就是採用更高K值的散熱膏、最大的塗布面積(A),以及最薄的散熱膏厚度(L)。

 

 

■ 影響畢竟有限

好啦回到正題,既然熱源與散熱器中間充滿溝槽與空氣,需要散熱膏填補;也從公式知道,散熱膏K值必須越高越好,最好高過CPU外蓋的金屬材質,甚至是底座接觸面的銅或鋁,才不會成為整組散熱系統的拖油瓶。

但世界總是沒有這麼美好,實際上再好的散熱膏,熱傳導係數也遠遠低於底座的金屬材質。舉例來說,常見的金屬材質在室溫27度時(因為K值會隨著溫度變化),銀的熱傳導係數為429W/mK、銅為401 W/mK、鋁237W/mK、鎳為90W/mK,而散熱膏只有2~8W/mK而已,空氣當然更悲劇,只有0.024~0.026 W/mK……。

因此結論是,散熱膏影響能力極為有限,所以我們可以下課回家了……。當然不是這樣!雖然散熱膏影響能力有限,但是在錙銖必較的超頻玩家手中,一、二度的差異都可能是過與不過的瓶頸;對一般玩家來說,更是想要明白高價散熱膏是否真有神效;而且,即使影響不大,不代表沒有效果,一切必須透過實際測試,才知道真功夫!

圖 / 有的廠商會標榜採用奈米添加物,號稱比一般散熱膏擁有更好的填補縫隙效果。

 

 

■ 散熱膏的材質

再來我們聊聊材質部分,散熱膏的基材其實就是矽油(silicone oil),矽油再經過二次加工之後,成為矽膏或稱矽脂(silicone grease),說起來和你家浴室用來填補防水的矽利康就是同一種材質。矽油擁有相當優異的耐熱性,不因溫度、濕度產生化學變化;氧化作用低、疏水、又無腐蝕性,容易存放;加上絕緣且擁有理想流動性與粘性的特性,不需高壓即可均勻擴散,讓矽油化合物成為非常適合作為填補縫隙導熱的介質(還有另外一個原因是,它很廉價……)。

為了增加更好的熱傳導性質,除了基材的矽油,也會添加其它金屬粉末,譬如銀粉(Ag)、氧化鋅(ZnO)、氧化鋁(Al2O3)、氮化硼(BN)等等,而這些添加物大部分都可以在包裝當中得知。之所以散熱膏會有不同的黏度、流動性與顏色,便是不同的添加物而成。孰好孰壞並不一定,各家成分與添加比率也不一定,因此還是必須實際測試才能分辨一二。

圖 / 之所以散熱膏會有不同顏色,便是來自於不同的添加物。

 

 

■ 更換散熱膏的時機與清除方法?

 

既然這篇是教導大家在炎炎夏日,可以認識散熱膏,而且自己動手DIY更換,那麼要如何有效率的把舊有散熱膏清除就很重要了。以筆者個人經驗,一般來說,擁有金屬添加物的灰色、銀色散熱膏都相當穩定,一年半載都不會有明顯質變、乾硬的情形發生。兩年以上,或是手癢想清理風扇的時候再順手補一下就好。

但是白色散熱膏壽命,通常(但不是絕對)就遠不如灰色散熱膏了,不到一年就可以看到明顯硬化、粉化、產生裂縫的情形,因此最好是可以一年補上一次,動手DIY清理一下散熱系統,換來更長久的壽命何樂而不為?另外,由於顯示卡的工作溫度較高、接觸面積也較小,越容易發生散熱膏變質的情形,因此更換時機最好是比CPU散熱器要來得勤奮一點。

清理上,只要去路邊加油站買一瓶環保去漬油(50元一瓶),先倒一點在衛生紙上,就可以很容易地用去漬油浸濕的衛生紙,擦去舊有散熱膏。如果舊有散熱膏已經乾化變質,可以先用沾了去漬油的衛生紙將硬化散熱膏沾濕,再利用非尖銳物品(譬如竹筷),小心翼翼的把硬化散熱膏給「摳」下來。最後,再利用吹球將衛生紙殘留的棉絮吹去,就可以看到亮麗的晶片表面,輕鬆補上散熱膏了。

圖 / 有些廠商附上了一包清潔棉片,幫助清理接觸面。

 

 

■ 塗布的技巧

塗抹散熱膏的技巧可以說是人人都有一套心得,有人喜歡九宮格或是X型塗法,再靠扣具壓力自然壓平;有人喜歡用小刮刀或是指套先抹平表面,再把散熱器蓋上去。筆者個人偏好於九宮格塗布,將散熱器壓上之後再轉一轉(但不要舔一舔),利用散熱膏的延展性自然填補縫隙。因為利用刮刀或是指套抹平,在施工過程當中一定會不可避免的把空氣帶入(想像一下水泥攪拌的畫面),產生降低效果的疑慮。

無論是哪一種塗法,記得先前提到的熱傳導公式:Q=KA △T/L,力求最大的塗布面積(A),以及最薄的散熱膏厚度(L)。因此用量適當就好,我們要的只是填補空隙,而不是厚厚一層,免得喧賓奪主、適得其反,影響散熱效果。

圖 / 筆者偏好九宮格點法,再靠散熱器扣具的下壓力得到均勻塗布。

 

 

 

■ 實際上陣!

本刊這一回特地蒐集了三十條不同的散熱膏,進行一場集體大評測。有一大罐用到天荒地老用不完,號稱人情膏的信韓Y-500,也有小小一條3公克就要價將近四百元的高價散熱膏。也順便提醒夏天即將要到了,大家不妨來個大清潔,把硬化變質的散熱膏清除,換上新的散熱膏吧!

測試用CPU選用熱度無話可說的Sandy Bridge-E i7-3960X,之所以不選用溫度更高的Ivy Bridge,是由於Ivy Bridge的高熱瓶頸,是來自於內部過小的晶片與外蓋接觸面積,前端都塞車無法讓熱源快速通過了,後端路再大條也沒有用,因此不用i7-3770K進行測試。

散熱器為ThermalRight VenoMous X,因為在本刊172期當中,我們測試了散熱器鏡面底座的差異,因此當時刮花了底部的Venomous X十分適合作為用來評斷散熱膏的散熱器。風扇則是採用安耐美Enermax推出的T.B.APOLLISH,並將轉速固定在最高的1800轉,快速排除廢熱,避免散熱器成為散熱系統的瓶頸。

圖 / 刮花了底部,充滿細小溝槽的Venomous X,用來評斷散熱膏更有鑒別度。

 

 

 

測試地點為室溫為固定20度C的空調房間(連筆者吃泡麵都得離開房間),避免外在環境因素影響測試結果。分別測試系統待機五分鐘,以及燒機十分鐘之後的溫度變化。
 

電腦DIY測試平台

處理器

Intel Core i7-3960X @ 3.3GHz

主機板

ASRock Fatal1ty X79 Profesional

顯示卡

Sapphire HD 6970 GDDR5 2GB

記憶體

Kingston HyperX DDR3-1600 2GB

主要硬碟

OCZ VERTEX 3 120GB

作業系統

Windows 7 Ultimate SP1 64-bit

電源供應器

ThermalTake 850W 80PLUS金牌

 

 


 

 


 

 

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

■ 結論

看到最後的測試結果,可以說意外,也可以說不意外。意外的是,即使是市價價差數倍的散熱膏,在高熱量CPU上進行比較,得到的差距依然小得出奇,燒機最高溫之溫差不過3℃左右而已。這點遠出乎筆者對於i7-3960X的預期,筆者原先認為動用了最高溫的CPU,這差距是會更大的。沒想到結果還不超過5℃。那麼合理推論,更低階CPU的話,這差距會再縮小一點。

不意外的是,散熱膏對於整體散熱系統所影響的,果然極其有限。散熱膏與金屬高達數百倍的K值差距實在太遠,再好的散熱膏也彌補不回來,整體散熱好壞還是得看後端散熱器才行。這層熱介面材料先求有便可,優劣倒是其次,與其更換高價散熱膏,不如先升級散熱器會更來得有效果。而且經過測試,也令筆者對於平價人情膏更具有信心一點,果然便宜又有效果,一年記得重上一次就是了。
 

經過測試可以得到兩個簡單的結論;第一,除了散熱器表現出相當高水準的解熱能力以外,即使是最便宜的散熱膏也都盡了本分,能夠快速把熱量傳遞到底座之上,發揮散熱效能。因此每每清理電腦內部時,記得更換散熱膏以保持效果。

第二:那我們能不能說,追求散熱膏是沒有意義,甚至浪費的呢?筆者認為當然不是,即使對一般人來說這差距很小,但是對於追求超頻或是極致的玩家來說,3℃的差異依然不能忽略。唯有講究每一個小細節,最後才有理想的效果。尤其對像筆者一樣愛護自己親手打造的電腦的使用者來說,每一部分都會想用最好的,即使效果差距不大,內心滿足度還是加分啦!

 

圖 / Arctic Siliver便表示,AS5需要200小時以上的磨合,才能發揮最佳效能。

 

 

 

最後,這邊也必須說,測試上終究有其限制。譬如i7-3960X算得上相當熱情的CPU,但是在GPU面前,也不過小菜一碟。因此如果用上顯示卡進行比較的話,或許效果會更顯著。只不過一般使用者並不會拆解到顯示卡風扇這一部分,裸露的GPU晶片一旦拆裝不正確,也有崩角的風險,因此還是選擇簡單的CPU作為施工範例。

而且,這項測試並沒有考慮到每一項產品的「磨合」時間,許多散熱膏其實需要一段時間的高溫催化,才會達到更好的效能表現。譬如這一次測試成績平平的AS5,官方便表示需要至少200小時的磨合,才能發揮最高效果。但有沒有可能每款散熱膏都磨合個幾天?這想必有執行上的困難。另外,即使筆者再小心翼翼,還是無法保證每一項產品都有相同的用量以及塗布面積,這點也會影響到最後的結果。因此這篇測試,說來還是給讀者參考參考就好,讀者們實際DIY清理、更換一下散熱膏,而且多玩玩每條散熱膏的不同,才是有趣的地方不是嗎?
 

 

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