详解导热硅脂“泵出效应”(Pump-out Effect)的原因和解决方法

泵出效应”(Pump-out Effect),这是一个在电子散热领域,特别是高性能CPU/GPU上非常常见的问题。

A. 什么是“泵出效应”?

“泵出效应”指的是导热硅脂在『芯片』和散热器的冷热循环作用下,逐渐从『芯片』核心的中心区域被“挤压”或“泵送”到边缘,导致核心区域的硅脂越来越少、最终干涸,使散热效果急剧下降的现象。

你会发现,拆下散热器后,『芯片』中心发干,而周围却有一圈被挤出的硅脂。

HUIWELL: 此图展示的导热硅脂在经过冷热循环后出现的"泵出效应",中心部位出现很多的空洞

B. 主要原因分析

泵出效应是由多种因素共同作用造成的,其主要原因可以归结为以下几点:

1. 热胀冷缩(最核心的原因)

  • 『芯片』(Die)与散热器基底材料不同:通常,『芯片』是硅(Silicon),而散热器基底是铜(Copper)或铝(Aluminum)。这两种材料的热膨胀系数(Coefficient of Thermal Expansion, CTE)差异巨大。
  • 硅的CTE:约 2.6 ppm/°C
  • 铜的CTE:约 17 ppm/°C
  • 工作时的微观运动:当设备工作时,『芯片』发热,CPU/GPU『芯片』和铜制散热器底板都会受热膨胀。但由于铜的膨胀率远高于硅,散热器底板膨胀的幅度比『芯片』大得多。这导致两个表面之间产生微小的剪切运动(一快一慢,一多一少)。
  • 冷却时的反向运动:设备关机冷却后,两者又以不同的速率收缩。这种每日开关机或负载高低变化导致的持续不断的冷热循环,就像一个小泵一样,一次又一次地将柔软的硅脂从中心区域“刮”向边缘。

2. 导热硅脂的物理性质

  • 黏度与稠度:过于稀薄(低粘度)的硅脂流动性太强,更容易在剪切运动下被泵出。而过于厚重、颗粒感强的硅脂可能又会影响初始的涂抹和散热效果。
  • 油离度:一些低质量的硅脂容易出油(油分离),导致硅脂本身固化、变干,加剧泵出效应。
  • 固化特性:部分硅脂(尤其是含银等金属颗粒的)设计为在一定温度下会轻微固化或变稠,以更好地填充缝隙,这类硅脂抗泵出能力通常较强。

3. 安装压力

  • 散热器安装得越紧,对硅脂的压力就越大。虽然更大的压力有助于降低热阻,但同时也加剧了硅脂在冷热循环中被“挤压”和“泵送”的程度。

4. 界面间的缝隙

  • 虽然肉眼看起来『芯片』和散热器底座完全接触,但在微观层面上,它们的表面是凹凸不平的。硅脂的作用就是填充这些微小缝隙。如果表面不平整,缝隙过大,也需要更多的硅脂来填充,这为泵出提供了更多“材料”。

C. 如何避免和减轻泵出效应?

了解了原因,我们就可以有针对性地采取措施:

  1. 选择抗泵出性好的导热硅脂
  • 选择稠厚型硅膏:避免使用像牙膏一样稀薄的硅脂。选择那些标有“高粘度”、“抗垂流”、“抗泵出”特性的产品。
  • 关注知名品牌的高性能型号:例如:
  • HW-GR50:以其较高的粘度和出色的抗泵出性而闻名,是解决此问题的经典选择,但非常难涂抹。
  • HW-PCM80:这是一种相变导热垫,在常温下是固体,在约45°C时会相变成膏状。它较为完美地解决了泵出问题,因为相变材料只会改变形态而不会迁移。广泛应用于笔记本📓和高端显卡。

2.使用相变导热垫(HW-PCM80)

  • 这是目前解决泵出效应最有效的方案之一,特别适合笔记本📓、游戏主机等不易经常拆卸的设备。它兼具了硅脂的低热阻和固体的稳定性。

3.正确的涂抹方法

*适量即可:不是涂得越多越好。过多的硅脂只会更容易被挤出来。对于普通CPU,一颗豌豆或米粒大小通常足够。

*使用刮板涂抹均匀:对于像汇为HW-GR50这类粘稠度较高的导热硅脂,可以先使用刮板将其薄而均匀地涂满整个『芯片』表面,确保能填平所有缝隙即可。这可以减少硅脂在内部被推来推去的空间。

4.保散热器安装平整且压力适中

按照对角线顺序,逐步拧紧散热器螺丝,确保压力均匀。不要某一个螺丝一次性拧到最紧。

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