姓名:顏皓 學號:16020140084 電子工程學院
【嵌牛導讀】Intel在IvyBridge后越來越多的采用硅脂散熱，甚至價格昂貴的X系列也不能幸免。超頻愛好者開蓋方便的同時，廣大普通消費者則心有疑惑。數(shù)千元的高端系列為了省幾塊錢，犧牲了散熱，這樣真的合適嗎？硅脂越來越流行的原因是什么呢？
【嵌牛鼻子】CPU、散熱、焊錫、硅脂
【嵌牛提問】CPU越來越多地采用硅脂而不是焊錫散熱的原因是什么？
【嵌牛正文】Intel在IvyBridge后越來越多的采用硅脂散熱，甚至價格昂貴的X系列也不能幸免。超頻愛好者開蓋方便的同時，廣大普通消費者則心有疑惑。數(shù)千元的高端系列為了省幾塊錢，犧牲了散熱，這樣真的合適嗎？硅脂越來越流行的原因是什么呢？
首先，硅脂熱擴散性能的確不如焊錫，這是毋庸置疑的。但CPU的硅脂也不是廉價的普通硅脂，更不是很多人調侃的Toothpaste。使用硅脂的確是為了節(jié)約成本，當重點并不在于散熱材料本身，而有更深層次的原因。為了更清楚的理解背后的原理，我們來了解一些CPU的基本知識。
CPU的構成
早期的CPU上面并沒有我們看到的蓋子：
奔騰3
Die是由一團黑色的填充物Underfill固定在基板上，再在上面涂上硅脂然后上上散熱片。隨著Die產(chǎn)生的熱量越來越多，加上很多人為了讓散熱片更緊密的和Die貼合而壓壞了Die，Intel開始在Die上面加上保護蓋和，形成我們現(xiàn)在看到的臺式機CPU的基本模樣：
它由很多層組成：
IHS：Integrated Heat Spreader。它就是我們看到銀色蓋子。有人以為它是鋁做的，實際上它的主體材料是銅，因為銅的導熱性高。它是銀色的是因為表面鍍上了一層鎳。用鎳做表面可以和上面的硅脂更有親和性：
在銅蓋上面的導熱材料叫做TIM2(Thermal Interface Material)，在銅蓋下面的導熱曾叫做TIM1。銅蓋可以將Die的熱量帶到更大的范圍，并通過TIM2將熱量帶到更大規(guī)模的散熱系統(tǒng)（Heat Sink）中，方便散熱。
TIM1：它是Die和IHS的導熱材料，也就是我們今天的主角。Intel在之前更多的是采用Solder的形式，用焊錫將Die和銅蓋貼合在一起。在為超頻愛好者開蓋帶來麻煩（開蓋有獎）的同時，也能夠更好的將熱量從Die帶到IHS上，并散發(fā)出去。
看過我們前面幾篇專欄文章的朋友們都知道，溫度是CPU壽命的大敵（CPU能用多久？會不會因為老化而變慢？），同時溫度過高也會造成降頻等問題（CPU風扇停轉后會發(fā)生什么？CPU憑什么燒不壞）。那么為什么后來用硅脂會愈來愈多了呢？是什么發(fā)生了變化？實際上CPU Die越變越小，從而熱密度上升是個很大的原因。
CPU Die越來越小了
Intel不斷地提高制程，追逐著摩爾定律。制程提高，單位面積的Wafer可以做出更多的晶體管，而且單位晶體管的發(fā)熱也會降低，從而可以提高主頻，更多的挖掘計算潛力。綜合來看，Intel的CPU晶體管的數(shù)目符合摩爾定律，但Die的尺寸卻在不斷縮?。?/p>
圖片來源：AnandTech
從紅色曲線，我們可以看出從Westmere開始，Die尺寸逐漸變小，在Skylake時達到最小值。
而CPU功耗不變或者略有提高，整體下來熱密度上升很快。熱密度上升了，不是更應該加速散熱嗎？
千里之堤毀于蟻穴
CPU Die的熱膨脹系數(shù)CTE（Coefficient of Thermal Expansion）低于基板（參考資料2），溫度提高后，變形小于基板：
熱密度上升很快后，Die會變長一點，而基板則變得更長一點。而IHS銅蓋則因為和散熱系統(tǒng)接觸，比較堅硬，變形很小。他們之間伸縮比不同，焊錫TIM1形成的硬連接會造成CPU基板變形，可能毀壞基板或者Bump：
圖片來自OverClocking
更糟糕的是焊接中留有的肉眼看不見的氣泡，會大大加劇這種變形，隨著CPU使用，焊錫中可能出現(xiàn)的裂痕也會加重這種效果。就像火車軌道會留下伸縮縫，硅脂TIM1連接可以為不同伸縮比的Die和銅蓋留下緩沖的空間，從而消除這種危險。
大點的Die可以讓熱量更好的散布到基板和IHS上，單位面積形變也小。而小的Die則會加劇這種現(xiàn)象，更容易出現(xiàn)問題。
OverClocking的一篇文章（參考資料1）列出了變形可能造成硬件損傷的原因，大家可以一看。
結論
焊錫連接難度很大，如何將硅材料焊接在銅蓋上是個很大的問題。材料不得不做多次處理，才能保證有效貼合：
圖片來自OverClocking
即使這樣，焊錫也會對成品率和生產(chǎn)成本造成負面影響。加之熱密度上升造成的焊錫工藝難度加大，芯片廠家不等不尋找替代方案。所以我們看到自IvyBridge這個Die變得很小的點開始，硅脂TIM1登上臺面并越用越廣。
用硅脂做TIM1對一般用戶沒有任何影響，所有的CPU在TDP之內(nèi)都工作十分出色，這是由封測保證的。于此同時又降低了成本，降低了風險，何樂而不為呢？
對超頻玩家來說，硅脂TIM1讓開蓋無憂，可以自行嘗試各種TIM1材質，結合強勁的散熱系統(tǒng)，可以挑戰(zhàn)更高的頻率，也是好事一件。不過要提醒一般用戶，開蓋后沒有了質保，高溫影響壽命，要謹慎從事。
