硬件科普 | 液金是什么?钎焊和硅脂孰好孰坏

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液金这个名词玩硬件的玩家应该很熟悉,很多人可能并不是很了解。

液金

液金其实很简单,就是液态金属。与之区别的是硅脂,金属和硅脂最大的区别就是导热率不同,很明显就是液金的导热效率更高,但是也要知道的是液金是金属,是导电的,这会导致短路,甚至烧毁电子设备。

在目前只有 INTEL 和 AMD 两家可以生产 x86 的处理器。

比如:INTEL 的 DT 平台的 i9-9900K / i9-9900KF / i9-9900KS 和 HEDT 平台的 i9-9980XE 等,AMD 的 R9-3950X 、R9-3900X、 R9-3800X、 R7-3700X 等。

超频一般会拉高处理器核心电压,因此发热会更加严重,此时就是液金施展拳脚的时候了,因为有更高的导热系数,因此可以更好的散热。

材料

液金是什么呢?目前常用的液金都是低熔点镓基合金。

镓基合金是以镓为基础,加入其他的金属,比如钨、钴、钛、铁等金属,做成镓为基础的合金。

镓基合金

钎焊

那么处理器上常用的“钎焊”是指什么呢?钎焊实际上一种工艺,其相对的是硅脂,理解这个其实很简单,实际上目前的处理器是一个多个部件组成的整体。

处理器的核心叫 Die ,为了让 Die 的热量更好的散发出去,因此需要将顶盖和 Die 进行更好地接触,以便将热量散发出去,所谓的钎焊实际上是“液金”的一种。

早期的 CPU 上面并没有顶盖

无顶盖处理器

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加上散热片。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,于是英特尔开始在 Die 上面加上保护盖,形成目前看到的台式机 CPU 的基本模样:

英特尔6800K

它由很多层组成:

处理器分层

IHS(Integrated Heat Spreader,集成散热器)。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。

硅脂涂抹

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。

TIM2分层

硅脂

英特尔不断地提高制程,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,英特尔的 CPU 晶体管的数目符合摩尔定律,但 Die 的尺寸却在不断缩小

CPU Die Size Comparison
Numbers in table are to nearest degree of known accuracy
Data from Intel or Trusted Sources (Chipworks/PCWatch)
CPU Year Process
Node
Die Size
2C or 2+2
Die Size
4C or 4+2
Die Size
4+3/e
(no eDRAM)
Die Size
(other)
Intel Kaby Lake 2017 14+nm 98.68 126.15 -  
Intel Skylake 2015 14nm 98.57 122.40 234 -
Intel Broadwell 2014 14nm 82 *** 241.50 133 (2+3)
246.24 (10C)
306.18 (15C)
456.12 (24C)
Intel Haswell 2013 22nm 130 177 264 181 (2+3)
355.52 (8C)
492 (12C)
662 (18C)
Intel Ivy Bridge 2012 22nm 118.09 159.82 - 256.5 (6C)
341 (10C)
541 (15C)
Intel Sandy Bridge 2011 32nm 149 216 - 435 (8C)
Intel Westmere
(GPU on 45nm)
2009 32nm 81 (Core)
195* (+GPU)
276** - 248 (6C)
513 (10C)
Intel Nehalem 2008 45nm - 263 - 296 (HEDT)
684 (8C)
Intel Yorkfield 2007 45nm 107 220 - -
Intel Kentsfield 2007 65nm - 280 - -
Intel Conroe 2006 65nm 145 - - -

从红色曲线,可以看出从 Westmere 开始,Die 尺寸逐渐变小,在 Skylake 时达到最小值。

处理器核心变小

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?

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:

基板变形

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。

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,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。


附录

参考链接

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