為什麼CPU越來越多地採用硅脂而不是焊錫散熱？

Intel在IvyBridge後越來越多的採用硅脂散熱，甚至價格昂貴的X系列也不能倖免。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麼呢？

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約成本，當重點並不在於散熱材料本身，而有更深層次的原因。為了更清楚的理解背後的原理，我們來了解一些CPU的基本知識。

CPU的構成

早期的CPU上面並沒有我們看到的蓋子：

Die是由一團黑色的填充物Underfill固定在基板上，再在上面塗上硅脂然後上上散熱片。隨著Die產生的熱量越來越多，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，形成我們現在看到的台式機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的熱量帶到更大的範圍，並通過TIM2將熱量帶到更大規模的散熱系統（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在之前更多的是採用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，並散發出去。

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風扇停轉後會發生什麼？CPU憑什麼燒不壞）。那麼為什麼後來用硅脂會愈來愈多了呢？是什麼發生了變化？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不斷地提高製程，追逐著摩爾定律。製程提高，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晶體管的數目符合摩爾定律，但Die的尺寸卻在不斷縮小：

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？

千里之堤毀於蟻穴

CPU Die的熱膨脹係數CTE（Coefficient of Thermal Expansion）低於基板（參考資料2），溫度提高後，變形小於基板：

熱密度上升很快後，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：

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和銅蓋留下緩衝的空間，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則會加劇這種現象，更容易出現問題。

OverClocking的一篇文章（參考資料1）列出了變形可能造成硬體損傷的原因，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：

即使這樣，焊錫也會對成品率和生產成本造成負面影響。加之熱密度上升造成的焊錫工藝難度加大，晶元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登上檯面並越用越廣。

用硅脂做TIM1對一般用戶沒有任何影響，所有的CPU在TDP之內都工作十分出色，這是由封測保證的。於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，可以挑戰更高的頻率，也是好事一件。不過要提醒一般用戶，開蓋後沒有了質保，高溫影響壽命，要謹慎從事。

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參考資料：

[1]: The Truth about CPU Soldering - Overclocking.Guide

[2]: Performance Characteristics of IC Packages

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