◆ 传热表面并不平整
以现在的技术来看，机械加工是不可能做出理想化的绝对的平整表面，即便是镜面，也有很多细小的坑凹，只是肉眼不太容易发现罢了，除了表面上存在坑凹外，还会有很多细小杂质，如灰尘什么的。这些问题同样存在于电脑中各种看似平整的芯片表面，以及为高温芯片散热的散热器表面。
看几张照片，均为我们自己拍摄的实物照片：
以光亮平整著称的思民CPNS9700LED散热器的底座表面
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使用拉丝处理过的显卡散热器底座表面
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英特尔Core 2 Duo金属表面，注意那些平时看不到的划痕
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nVidia 8400GS显示核心的表面，大量杂质，激光打标造成字是凸出的
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无论是CPU还是GPU，还有和它们接触的散热器表面，远远不是我们想象中那么平、那么光滑、那么纯洁。当散热器表面和芯片表面接触时，它们之间是凹凸不平的，存在很多沟壑或空隙，其中都是空气。空气的导热能力很差，因此必须用其它物质来降低热阻，否则散热器的性能会大打折扣，甚至无法发挥作用。
显卡散热器上的硅脂分布厚薄不均，可见表面是很不平整的
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作为解决办法，导热介质就应运而生了，它的作用就是填充两个接触表面之间大大小小的空隙，增大发热源与散热片的接触面积。导热硅脂是我们最常见的导热介质。
导热硅脂作为散热器与CPU/GPU这些芯片的中间层，CPU/GPU的热量必须通过它才能传导到散热器上，因此硅脂的优劣对着整个散热系统有着非常重要的影响。但是大多数人对散热器有着孜孜不倦的追求，对导热硅脂却一直比较忽视，也缺乏足够的了解。
◆ 什么是导热硅脂？
在国内外导热硅脂产品的资料中，有的称之为导热膏，有的称之为散热硅脂，英文中导热硅脂的称呼也有几种方式，如Thermal Grease、Thermal Compund、Thermal Paste。为了方便，本文统一用“导热硅脂”，牵涉到产品时有时简称为“硅脂”。
严格的说，导热硅脂只是硅脂中的一种，另外还有如绝缘硅脂、润滑硅脂、光学透明硅脂等，硅脂号称工业中的味精，在电气绝缘、润滑、脱模、防锈、防腐、防水、防震等方面有广泛应用。
硅脂是硅油二次加工的产品，主要成份是主链含有硅原子的高分子化合物（有机硅化合物）。目前最主要的有机硅高分子是聚硅氧烷。聚硅氧烷是由许多含键的单体聚合而成的链状、环状或网状的高分子化合物，通常也称为硅酮。它的结构特点是含有一个硅、氧原子交替排列的基本骨架，每个硅原子上都连有有机基团，聚硅氧烷中的硅氧键具有高稳定性，有机基团是甲基、较长的烷基、氟代烷基、苯基、乙烯基和一些其他基团。
常用的化妆品主要成份其实和导热硅脂的主要成份是一样的，即聚硅氧烷。
工业中用的导热硅脂
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硅脂的这些特性，使得它成为导热介质最佳人选。较小的表面张力，让它能很好的扩散到芯片和散热器表面的空隙之中，热稳定性保证它在高温下能正常工作，电绝缘性保证了其它电子元器件的安全性。为了加强其导热能力，在硅脂中添加一些功能性填料，如金属氧化物，便制成了导热硅脂。
硅脂本身是白色的，在加入了不同填料后，就有可能形成其它颜色，如常见的灰色或金黄色。导热硅脂的好坏除了硅脂的品质外，更主要取决于添加填料的差异，现在所说的纳米硅脂，钻石硅脂，都是因为填料而得名。
现在国内有些公司在销售无硅基础油的散热脂，具体情况还不太了解。
注意硅酯和硅胶是有区别的，真正意义上的硅胶是工业上的硅胶，和导热硅脂没什么关系，比如隆胸用的材料就是硅胶。但现在经常硅胶硅脂不分，有时称的导热硅胶，是指常温下成凝固状高温下熔化的导热胶，就是很多散热器底部出厂时带的那种导热介质，有些人也把有粘性的也有一定导热能力的那种称为导热硅胶。
◆ 导热硅脂的性能参数
作为一种化学物质，导热硅脂有着一些反映自身特性的相关性能参数。了解这些参数的含义，大致上可以判断一款导热硅脂产品的性能高低。
1、导热系数（Thermal Conductivity）
导热系数的单位为W/m·K（或W/m·℃），表示截面积为1平方米的柱体沿轴向1米距离的温差为1开尔文（K=℃+273.15）时的热传导功率。数值越大，表明该材料的热传递速度越快，导热性能越好。
各种物质的导热系数相差很大，其根本原因在于不同的物质其导热机理存在着差异。一般而言，金属的导热系数最大，非金属和液体次之，气体的导热系数最小。导热系数小于等于0.055W/m·K的材料称为高效绝热材料，大于等于500W/m·K的料称为高效导热材料。
比如银的导热系数为420，铜为383，铝为204，水的导热系数为0.58左右，而空气的只有0.023左右，目前主流导热硅脂的导热系数均大于1W/m·K，优秀的可达到6W/m·K以上，是空气的200倍以上。但是和铜铝这些金属材料相比，导热硅脂的导热系数只有它们的1/100左右，换而言之，在整个散热系统中，硅脂层其实是散热瓶颈之所在。
目前所知的导热系数最高的物质为金刚石，可达到1000-2000W/m·K。
2、传热系数（Thermal Conductance）
传热系数指在稳定传热条件下，围护结构两侧流体温差为1℃（或1K），1小时内通过1平方米面积传递的热量，单位是W/㎡·K（或W/㎡·℃）。
注意传热系数和导热系数是两个不同概念，在导热硅脂中，应该更多的是导热系数，也是标准的，只是在Arctic Silver的两款产品中，使用了传热系数这个指标。
3、热阻系数（thermal resistance）
热阻系数表示物体对热量传导的阻碍效果，单位℃/W，即物体持续传热功率为1W时，导热路径两端的温差。热阻显然是越低越好，因为相同的环境温度与导热功率下，热阻越低，发热物体的温度就越低。热阻的大小与导热硅脂所采用的材料有很大的关系。
目前主流导热硅脂的热阻系数均小于0.1℃/W，优秀的可达到0.005℃/W。
4、粘度（viscosity）
粘度是流体粘滞性的一种量度，指流体内部抵抗流动的阻力，用对流体的剪切应力与剪切速率之比表示，粘度的测定方法，表示方法很多，如动力粘度的单位为泊(poise)或帕·秒。
对于导热硅脂来说，粘度在2500泊左右，具有很好的平铺性，可以容易地在一定压力下平铺到芯片表面四周，而且保证一定的粘滞性，不至于在挤压后多余的硅脂会流动。
但是很少有导热硅脂会提供这个性能参数。
5、工作温度范围
由于硅脂本身的特性，其工作温度范围是很广的。工作温度是确保导热硅脂处于固态或液态的一个重要参数，温度过高，导热硅脂流体体积膨胀，分子间距离拉远，相互作用减弱，粘度下降；温度降低，流体体积缩小，分子间距离缩短，相互作用加强，粘度上升，这两种情况都不利于散热。
导热硅脂的工作温度一般在-50℃～180℃。对于导热硅脂的工作温度，我们不用担心，毕竟通过常规手段很难将CPU/GPU的温度超出这个范围。
6、介电常数
介电常数用于衡量绝缘体储存电能的性能，指两块金属板之间以绝缘材料为介质时的电容量与同样的两块板之间以空气为介质或真空时的电容量之比。介电常数代表了电介质的极化程度，也就是对电荷的束缚能力，介电常数越大，对电荷的束缚能力越强。
普通导热硅脂所采用的都是绝缘性较好的材料，但是部分特殊硅脂（如含银硅脂等）则可能有一定的导电性。空气的介电常数约为1，常见导热硅脂的介电常数约为5。
极少有导热硅脂产品提供介电常数这个参数值。
7、油离度
油离度是指产品在200℃下保持24小时后硅油析出量，是评价产品耐热性和稳定性的指标。将硅脂涂敷在白纸上观察，会看到渗油现象，油离度高的，分油现象明显；或打开长期放置装有硅脂的容器，油离度大的硅脂，在硅脂表面或容器四周看见明显的分油现象。
几乎没有导热硅脂产品提供油离度这个参数值。
◆ 导热硅脂该如何涂抹？
导热硅脂应该怎么涂抹，还没有一个非常标准的说法，我们曾经就这个问题在论坛上发起过讨论（参见这儿），但是有条准则，涂抹的关键在于要均匀、无气泡、无杂质、尽可能薄。
现在涂抹的主要方式有两种，一是在CPU/GPU等表面中心挤上一点硅脂，然后靠散热器的压力将硅脂挤压均匀，另一种方式是均匀将硅脂涂抹在CPU/GPU等表面。显然第一种方法适合表面积较小的热源，第二种方法更适合表面积较大的CPU/GPU，如英特尔Core 2系列处理器，但是第二种方法涂抹时容易弄上杂质，也可能产生气泡，很多导热硅脂产品都附送了刮刀或胶套来方便涂抹。
参考一下厂家推荐的涂抹方法：
ZEROtherm推荐涂抹方法：在CPU表面中心挤上硅脂，然后给手指戴上胶套（防杂质，胶套是附送的），将硅脂涂抹均匀
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arctic-cooling推荐的涂抹方法：在CPU表面中心挤上一点硅脂，然后压上散热器，按箭头指示方向旋转，确保硅脂均匀扩展和无气泡。
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arctic-cooling和ZEROtherm两家硅脂厂家官方推荐的涂抹方法不尽相同，正是兵无常势，水无定形，能涂到均匀无杂质无气泡就基本OK了。 此外，大多数普通导热硅脂在使用半年或更长时间后，会出现“干化”或“硬化”现象，大大影响散热效果。因此，要保证系统长期稳定地工作，定期清理并重新涂抹硅脂也是必要的。
◆ 硅脂涂抹厚薄对散热的影响
从理论上来说，在保证能填充CPU/GPU和散热器表面缝隙的前提下，导热硅脂层是越薄越好，毕竟从导热性能上来讲，再好的硅脂也比不过铜铝这些金属材料。前面在讲导热系数这个参数时说过，铜的导热系数是高档导热硅脂的百倍左右。
实际上很多人唯恐硅脂不够，涂抺N多硅脂，结果会如何呢？
我们做个简单测试，使用Arctic Alumina硅脂（北极铝），一次涂适量，一次故意涂的比较多，测试两种情况下CPU温度的情况（室温28度，E6600（7*500MHz），Zalman CNPS9700LED散热器，Foxconn MARS P35主板，CPU电压1.55V）。
用EVEREST软件的System Stability Test来测试，它能让CPU高负荷运作，记录温度变化曲线。
测试后CPU表面硅脂情况（适量硅脂）
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适量的硅脂情况下，CPU温度在61－62℃间浮动
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测试后CPU表面硅脂情况（较多硅脂）
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大量的硅脂情况下，CPU温度在63－64℃间浮动
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因此我们再次强调一下，在保证能填充CPU/GPU和散热器表面缝隙的前提下，导热硅脂层越薄越好。
◆ 不涂导热硅脂CPU会烧吗？
导热硅脂有什么用大家都知道了，如果不涂硅脂，情况会怎么样呢？
再做个小测试，先在处理器表面涂上市售的5元一瓶的STARS-350硅脂，看下CPU温度变化，用EVEREST的System Stability Test模拟CPU较高负荷的测试：
使用普通硅脂，CPU温度在61-62℃间
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然后取下散热器，清理干净硅脂，在不涂抹硅脂的情况下，装上散热器，进行同样的测试：
无硅脂时，CPU温度高达78℃，并有大量CPU Throt发生
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两者的差距是惊人的，在无硅脂下CPU温度达到了78度，而且由于CPU温度过高，CPU Throt（处理器温度监控技术）开始发生作用，注意图中下方那条红色的曲线，CPU温度过高开始降频降压在运行了。如果是正常频率电压的话，CPU温度将会更高。 不涂硅脂CPU会烧吗？估计不会，这得益于处理器内置的保护机制，但频频死机少不了的。 ◆ 牙膏能当导热硅脂用吗？
导热硅脂并不是随手可得的，在没有硅脂的时候，形态相似的牙膏能当硅脂用吗？
网上搜索一下，发现很多人拿牙膏当导热介质在用……
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为此，我们特地购买了一支高露洁牙膏（高钙+氟），来看一下牙膏的导热性能如何。
牙膏的存在形态和导热硅脂很类似，都是半流体的膏状
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牙膏的主要成分是粉状的摩擦剂，常用的有碳酸钙、磷酸氢钙、氢氧化铝等。另外还含有湿润剂、表面活性剂、粘合剂、香料、甜味剂等其它成分。其中碳酸钙（CaCO3）可除污垢，氢氧化铝（Al(OH)3）可以增加光亮，磷酸氢钙（CaHPO4）可除烟迹。另外一些牙膏添加了氟化物（如高露洁的这支就含有单氟磷酸钠），可以与牙齿表面的氢磷灰石（Ca5（PO4）3OH）结全成质地更坚硬的氟磷灰石（Ca5（PO4）3F），达到防龋齿的作用。 测试室温28度，E6600（7*500MHz）处理器，Zalman CNPS9700LED散热器，Foxconn MARS P35主板，CPU电压1.55V。使用EVEREST的System Stability Test来测试。
使用Arctic Alumina（北极铝）硅脂，CPU温度在61－62度间浮动
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使用牙膏当导热介质，初期CPU温度稳定在为60度（注意此时测试时间：8月3日，14:52）。
哇！一支三元钱的牙膏居然比几十元的导热硅脂效果还要好~~~~~~
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然后我们继续拷机，温度一直在60度上下，就这么开机到50小时后，CPU温度已经发生变化了，达到67度左右（不过此时无空调了）。65小时后，温度上升更明显：
60多小时后，CPU温度达到77℃，并有CPU Throt发生
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注意测试的时间为8月6日，9:23，此时CPU温度达到了77度左右。而且……由于CPU温度过高，CPU Throt开始发生作用，注意图中那条红色的曲线，CPU温度过度开始降频降压在运行了，这个和前面无硅脂的测试结果非常相似。 基本上到此时，牙膏在长时间烘烤后就剩下碳酸钙这些了，不但不导热，还是很好的热阻尼材料。这时候和没涂导热硅脂的情况差不多了。 拆下散热器，看下牙膏变成什么样了：
长时间烘烤后的牙膏变成了粉末状的固体颗粒了
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不过，有一件很不幸的事发生了，ZALMAN CNPS9700LED纯铜散热器的底部居然被牙膏给腐蚀了：
纯铜散热器底部被牙膏腐蚀了，还很厉害……
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牙膏有一定的金属腐蚀能力，尤其是现在加入了很多功能性的添加剂后（比如氟就有很强的腐蚀作用），所以现在的牙膏都不用铝管来装了（以前牙膏皮可都是铝制的），而采用耐腐蚀的铝塑材料。 如果你暂时没有导热硅脂可用，可临时使用牙膏代替，但请尽快换上导热硅脂（48小时内）。牙膏在长时间的烘烤后，随着水份等的蒸发，其导热能力会突降，更重要的是，长时间的使用，会对你的散热器有腐蚀作用，这个要有心理准备。
◆ 关于钻石导热硅脂
钻石又称金刚钻，矿物名称为金刚石，英文为Diamond，钻石的硬度是自然存在物质中最高的，同时它的导热能力非常出色，是铜的几倍之多，导热系数达到了1000-2000W/m·℃，正因为如此，一些商家推出了所谓的“钻石导热硅脂”。
IC Diamond 7 Carat钻石硅脂
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实际上，天然的钻石是由金刚石经过琢磨后才能称之谓“钻石”。天然的钻石是非常稀少的，用于宝石的金刚石一般最小不能小于0.1克拉。所谓的“钻石导热硅脂”应该是用的工业级金刚石微粒。正如添加银粉的含银硅脂一样，钻石硅脂是在硅脂中添加工业级的金刚石细小颗粒，增强导热能力。 不过很遗憾，本次测试中的IC Diamond 7 Carat钻石硅脂出现异常情况，最终未能完成测试（具体情况请参见《当钻石硅脂归于尘土》），我们联系厂家得到的答复是正在调整混合剂配方，稍后会提供样品给我们重新测试。
IC Diamond 7 Caratd在放置一个月后变成固体了……
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◆ 关于纳米导热硅脂
纳米（Nano）是一种几何尺寸的度量单位，1纳米为百万分之一毫米，即1毫微米，也就是十亿分之一米，略等于四十五个原子排列起来的长度。
倍能事达纳米硅脂G-751
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现在市面上有一些“纳米导热硅脂”，声称引入最新的纳米科技，实际上是添加填料采用的纳米尺寸大小的颗粒，比如50nm，细微的颗料能让硅脂更好地渗透到散热器表面和CPU/GPU表面细小的缝隙之中，可以加强散热效果。
示意图，左为纳米硅脂，右为普通硅脂
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◆ 关于液态金属导热贴
由于导热硅脂的导热系数远低于金属材料，因此在两三年前，国外的Coollaboratory便研发出了使用液态金属（Liquid metal）的导热介质。它完全由100%液体金属所组成，不包含任何非金属添加物质，也不包含其他固态物质，特殊设计使其流动性不大并不会造成太大的问题，可以很好的利用液态金属的高导热性。
针管注射式的Liquid metal
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但这种液态金属也有不小的副作用，比如不容易保存，很难涂匀，更麻烦的是对铝材质的散热器有严重的腐蚀作用。所以不久后，Coollaboratory推出了升级产品，简单易用的液态金属导热贴（Liquid MetalPad）。
Liquid MetalPad看起来就和一张锡箔差不多，不知道Coollaboratory用什么技术把“不导电无毒的”液态金属制作成了这张“固体形态”的液态金属导热贴，这种金属贴的使用比起以前的“针管注射器”Liquid Pro要强多了。 据称Liquid MetalPad的导热系数达到82W/m·K，是导热硅脂的十数倍。不过很遗憾，这次测试中，我们未能收集到Liquid MetalPad，有机会将会补上对Liquid MetalPad的测试。
◆ 关于arctic silver系列硅脂的break-in问题
arctic silver系列导热硅脂在国内口碑很好，是高端发烧友最喜爱的硅脂之一，目前有三种型号，即高档的arctic silver 5，中档的Ceramique（北极雪）和arctic Alumina（北极铝）。
在arctic silver的官网产品介绍中，都有一个特别强调：
arctic silver关于北极铝介绍的截图
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这是arctic Alumina介绍中的文字，大意是说，在涂抹好arctic Alumina并装上散热器后，需要经过至少36小时的磨合期，让细小的颗粒完全填满散热积表面和CPU表面空隙，以达到最好的效果，官方称这个磨合期为break-in，并说，在经过磨合期后，能让CPU的温度再降低1-2℃。 不同产品，这个磨合期时间不一样，如arctic silver 5需要200小时以上，Ceramique需要25小时以上，arctic Alumina需要36小时以上。磨合期从涂好硅脂开始算起，不特指开机使用时间，需要经过一定的开机关机、温度升高降低这样的循环过程，官方称如果散热器无风扇这时间会更长。 真的在经过磨合期后有效果吗？为此，我们使用arctic Alumina硅脂，作一个验证测试：
陪伴我们很久的arctic Alumina硅脂
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2007-8-1 12:06 CPU高负荷下稳定温度为62℃
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在46小时后，也就是2007-8-3 9:54，室温同样为27℃，再进行同样测试，CPU高负荷下最高温度稳定为60℃：
2007-8-3 9:54 CPU高负荷下稳定温度为60℃
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和刚装上时相比，温度真的降低了1-2℃。 为了排除测试误差，我们又重新涂抹了一次arctic Alumina，这相当于新装上时的情况，测试结果：
注意看时间，得到的CPU稳定温度为62℃，和两天前几乎一致。
作为一个验证性测试，我们认为arctic silver的重要提醒，还是很有可信性的。使用arctic silver硅脂的用户，在这个问题上要多加注意。
另外，很多媒体的硅脂测试中，对arctic silver系列硅脂的测试都未对这个问题作出解释或说明，似乎有失公平。在本次测试中，对于arctic silver系列硅脂的break-in问题作了充分考虑，都按要求给予它们足够的磨合时间。抱怨一下，因这个break-in，多花了我们十多天时间。 | 
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发表于 2009-3-2 15:45
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