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BLUE SPACE 2003-06-08 12:21 AM

對cpu散熱有興趣者請進
 
高溫對電腦的危害

  高溫對電腦的危害主要可以分為以下兩個部分:

  1、對半導體電子元器件(CPU、顯卡芯片、主板芯片組等)的危害(本次重點)

  2、對顯像管的危害

  我們先來看看高溫對電腦最主要的危害,也就是對半導體電子元件的危害。

  根據電子學理論,頻率的提高(在穩定的前提下)對於半導體電子元件壽命不會有影響,但是頻率變高後,卻會產生更多的熱量,電子元器件像CPU、內存等等,表面積都非常小,多產生的熱量都聚集在這小小的地方,如散熱不好將會產生極高的溫度,從而引發"電子遷移"現象,而且現在的電腦主頻越來越高,再加上還有我們一伙DIY為了獲取更多的性能而加電壓超頻,如此一來,產生的熱會更多。

  熱所導致的"電子遷移"現象(electromigration)會損壞半導體電子元器件。為了防止"電子遷移"現象的發生,我們應該把CPU的表面溫度控制在攝氏50度以下,這樣CPU的內部溫度就可以維持在80度以下,"電子遷移"現象就不會發生。"電子遷移"現象並非立刻就損壞芯片,它對芯片的損壞是一個緩慢的過程,或多或少會降低CPU的壽命,假如你讓你的CPU持續在非常高的溫度下工作,那你的CPU可就......。

  那麼"電子遷移"到底是什麼?"電子遷移"屬於電子科學的領域,在1960年代初期纔被廣泛了解,是指電子的流動所導致的金屬原子的遷移現象。在電流強度很高的導體上,最典型的就是集成電路內部的電路,電子的流動帶給上面的金屬原子一個動量(momentum),使得金屬原子脫離金屬表面四處流動,結果就導致金屬導線表面上形成坑洞(void)或土丘(hilllock),造成永久的損害,這是一個緩慢的過程,一旦發生,情況會越來越嚴重,到最後就會造成整個電路的短路(short),整個集成電路就報銷了。

  "電子遷移"現象受許多因素影響,其中一個是電流的強度,電流強度越高,"電子遷移"現象就越顯著。從集成電路的發展史,我們可以發現,為了把集成電路如CPU的核心縮小,必須把線路做的越細越薄,如此,線路的電流強度就變的很大,所以電子的流動所帶給金屬原子的動量就變的很顯著,金屬原子就容易從表面脫離而四處流竄,形成坑洞或土丘。另外一個因素就是溫度,高溫有助於"電子遷移"的產生,這就是為什麼我們要把CPU的溫度維持在50以下(手摸起來溫溫的)。至於溫度是如何影響"電子遷移",有興趣的朋友可以自己去研究。

  接下來我們再來看看高溫對顯像管的危害:

  顯像管作為顯示器的一大熱源,在過高的環境溫度下它的工作性能和使用壽命將會大打折扣,某些虛焊的焊點可能由於焊錫熔化脫落而造成開路,使顯示器工作不穩定,同時元器件也會加速老化,最終輕則導致顯示器罷工,重則可能擊穿或燒毀其他元器件。

散熱機理
  應該是在初中學物理的時候吧,老師就告訴我們熱的傳導方式有三種:傳導、對流、輻射。現在還記得老師當時講給我們的例子,把一個湯勺一端放在熱水中,你的手握住另一端,一會你就會覺得湯勺熱,這就是傳導。吹吹風,你就會覺得涼,這就是對流傳熱。而太陽光照射在你身上,你就會覺得溫暖,這就是熱輻射。當時只是有了一個大概的了解。

  上大學後,所學專業與熱有一點關系,所以對它有了一些更專業一點的了解。

  對流是指透過熱的物質的運動來實現熱的傳遞。這意味著,熱能是來自於被氣體或者液體所包圍熱源,透過分子的移動來實現熱能的傳遞的。我們可以采用在散熱片上添加風扇的方法來實現強制對流。

  傳導是指分子之間的動能交換,能量較低的粒子和能量較高的粒子碰撞從而獲得能量(是透過物理的直接接觸),單獨的一塊散熱片是不能實現熱能的傳導的。總之,傳導是散熱片從CPU獲得熱量的最主要途徑。

  輻射,就如其名字一樣,是指熱能從熱源以電磁的形式(由光子傳送)直接發散出去。輻射可以在真空中進行。輻射的傳熱效能取決於熱源的材料以及表面的顏色。了解了概念,讓我們來看看在計算機中最常用的的CPU散熱都采用了什麼熱傳導方式。(如下圖)

http://it.big5.enorth.com.cn/images/show_images_2/sanre/1.gif

  熱由CPU傳至散熱片以及在散熱片內部傳遞都屬於熱傳導,由散熱片傳遞到周圍空間屬於對流和輻射。

  對流是風扇/散熱片組合制冷的主要方式。CPU產生的大部分的熱都被風扇形成的對流所帶走,只有很少很少的一部分熱是透過輻射來散發出去的。



風冷散熱法

  風冷式散熱法就是我們平時最常見的散熱方法,一個風扇加一個散熱片就構成了一套風冷散熱裝置。它的發明我估計可以追溯到很久以前了,想當年老祖先吃烤肉時太燙,吹吹氣讓肉涼下來應該算是最早的風冷散熱了吧。

  風冷式散熱法是目前計算機散熱使用最多,也是最成熟的方法,拆開您的主機箱,您可以在CPU、顯卡、電源等等各處找到它的身影。

  讓我們來看一下風冷式散熱法主要的優缺點。優點:結構簡單,價格低廉(比較其它散熱方法),安全可靠、技術成熟。缺點:不能將溫度降至室溫以下,由於存在風扇的轉動,所以有噪音,風扇壽命有時間限制。

  它的原理簡單來說就是通過散熱片將熱傳導出來,再通過風扇轉動,加強空氣流動,通過強制對流的方式將散熱片上的熱量傳至周圍環境。(如下圖)輻射散熱在此作用不是很大。
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  由於風冷散熱法是我們這次散熱專題的主角,在後面會針對電腦不同部件對風冷散熱法的安裝和使用作比較詳細的說明,在此就不羅嗦了。請各位同好繼續往下看。


水冷散熱法

  前面我們介紹了風冷散熱法,這是一種最為常見,也是安裝最為簡便的方法。但是它的散熱效果一般,只能應付一般的應用。對於超頻愛好者來說,風冷散熱就有點力不從心了。那麼我就給大家介紹另一種散熱效果出眾的散熱方法——水冷散熱法。大家也許早就聽說過國外的超頻發燒友曾經用水冷甚至油冷來給CPU散熱,但是目前國內使用的還不是很多,也許和它的價格以及較為復雜的安裝方式有關。

  一套水冷散熱系統是由散熱器、水管及一個水泵組成。另外,針對不同類型的CPU(可用於Socket7/賽羊/毒龍/雷鳥/PII/PIII等幾乎所有類型的CPU),還附送了幾個不同的卡具以方便緊密卡在CPU上。大家可以從圖上看到,散熱器有一個進水口及出水口。散熱器內部有多條水道,這樣可以充分發揮水冷的優勢,能帶走更多的熱量。


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  相信大家看到這裡已經明白了這個水冷系統的工作原理。將散熱器的進、出水口接上水管,然後其中一條水管接到水泵上,再把水泵放進一個盛滿水的桶裡,通電試驗確信連接正確沒有漏水的情況後,再把散熱器底部涂上導熱硅脂後用相應的卡具卡到CPU底座上即可開始工作。


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  水冷系統的優缺點是顯而易見的。首先來講講它的優點:水冷的散熱效果要比風冷系統好,據其說明書上說,與渦輪風扇散熱溫度相比還要低最少10度;水冷系統因為沒有風扇,所以不會產生振動,這樣的話您就不用再擔心CPU核心會被劣質風扇產生的振動磨壞了,同時噪聲也小。

  再來看看缺點:水冷散熱器所需的外圍『支持系統』非常龐大,怎麼著您也得准備一個能盛十昇水的水桶吧,這麼一個大家伙放在電腦桌旁,大熱天的,一不小心踢翻了,後果不堪設想呀;在電腦開機前必須先把水泵的電源插上,感覺不點不方便,要不然,CPU死得就慘嘍,要想克服這個缺點,你就得發揚DIY精神,用個繼電器什麼的與主機電源做個控制系統,一勞永逸:);萬一散熱器有個頭痛腦熱的,一不小心再流點鼻涕,那個水泵的揚程可是一米呀,那俺的電腦就稀裡嘩啦了(這個概率可能比較小);同時,水冷容易結露。還有一點就是價格,要比風扇貴很多,一套系統的售價最少得一百多塊,有點貴。

  應該說水冷散熱設備的優點還是大於缺點的。如果您也想體驗一下超頻後的急速快感的話就去試試吧。


半導體致冷法原理篇


  看了前面兩種散熱方法,大家有沒有發現什麼不足之處?對了,那就是上面這兩種散熱方法並不能把CPU表面溫度降至室溫以下(水冷法可以通過在水中加冰塊實現,但是太麻煩了),對於我們這些超頻的愛好者來說,更低的溫度就代表著CPU可以在更高的頻率上穩定工作,所以本文的主角——半導體致冷法,隆重登場了。

  先來看一下半導體致冷法比起前兩種方法的好處。1、最大的好處:可以把溫度降至室溫以下。2、精確溫控:使用閉環溫控電路,精度可達+-0.1°C。3、高可靠性:致冷組件為固體器件,無運動部件,因此失效率低。壽命大於二十萬小時。4、工作時無聲:與機械制冷系統不一樣,工作時不產生噪音。

  再來看一下半導體致冷法的原理以及結構:

  半導體致冷器是由半導體所組成的一種冷卻裝置,於1960左右纔出現,然而其理論基礎Peltier effect可追溯到19世紀。如圖是由X及Y兩種不同的金屬導線所組成的封閉線路。

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  通上電源之後,冷端的熱量被移到熱端,導致冷端溫度降低,熱端溫度昇高,這就是著名的Peltier effect。這現象最早是在1821年,由一位德國科學家Thomas Seeback首先發現,不過他當時做了錯誤的推論,並沒有領悟到背後真正的科學原理。到了1834年,一位法國表匠,同時也是兼職研究這現象的物理學家Jean Peltier,纔發現背後真正的原因,這個現象直到近代隨著半導體的發展纔有了實際的應用,也就是[致冷器]的發明(注意,這種叫致冷器,還不叫半導體致冷器)。

  下面我們來看一下半導體致冷器的結構。

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  由許多N型和P型半導體之顆粒互相排列而成,而N P之間以一般的導體相連接而成一完整線路,通常是銅、鋁或其他金屬導體,最後由兩片陶瓷片像夾心餅乾一樣夾起來,陶瓷片必須絕緣且導熱良好,外觀如右圖所示,看起來像三明治(下圖為實物圖)。
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正視圖



側視圖

  什麼是N型和P型半導體呢?感興趣的朋友可以繼續看,不感興趣的朋友您可以跳過這段直接看下一頁『如何選購和安裝半導體致冷器』。

  N型半導體,任何物質都是由原子組成,原子是由原子核和電子組成。電子以高速度繞原子核轉動,受到原子核吸引,因為受到一定的限制,所以電子只能在有限的軌道上運轉,不能任意離開,而各層軌道上的電子具有不同的能量(電子勢能)。離原子核最遠軌道上的電子,經常可以脫離原子核吸引,而在原子之間運動,叫導體。如果電子不能脫離軌道形成自由電子,故不能參加導電,叫絕緣體。半導體導電能力介於導體與絕緣體之間,叫半導體。半導體重要的特性是在一定數量的某種雜質滲入半導體之後,不但能大大加大導電能力,而且可以根據摻入雜質的種類和數量制造出不同性質、不同用途的半導體。將一種雜質摻入半導體後,會放出自由電子,這種半導體稱為N型半導體。

  P型半導體,是靠『空穴』來導電。在外電場作用下『空穴』流動方向和電子流動方向相反,即『空穴』由正板流向負極,這是P型半導體原理。

  載流子現象:N型半導體中的自由電子,P型半導體中的『空穴』,他們都是參與導電,統稱為『載流子』,它是半導體所特有,是由於摻入雜質的結果。

  半導體制冷材料:不僅需要N型和P型半導體特性,還要根據摻入的雜質改變半導體的溫差電動勢率,導電率和導熱率使這種特殊半導體能滿足制冷的材料。目前國內常用材料是以碲化鉍為基體的三元固溶體合金,其中P型是Bi2Te3—Sb2Te3,N型是Bi2Te3—Bi2Se3,采用垂直區熔法提取晶體材料。

半導體致冷法選購及安裝篇
  目前市場上大約有40種不同尺寸規格的半導體制冷器大量現貨供應,適用於CPU、3D顯示卡、高速硬盤、芯片等,輕松地把溫度降到零度!

  經我們初步實驗,在不接CPU的時候,冷面溫度可達零下15度!這個時候功耗也將達到最大值!最差情況下,把燙手的CPU、顯卡芯片降到20度以下是沒問題的。不過你一定要注意風扇的散熱和良好的通風啊!

  制冷器型號繁多,適合不同之用途,現將選擇方法介紹給大家:

  ▲選型要訣一:制冷片的參數有下面幾個:

  功率:電源2v?15v,消耗電流3A-25A,最大功耗高達120W!一定要用400W的機箱電源或是另外用其它電源,防止燒毀!

  最大溫差:冷面/熱面的最大溫度差,都在65?68度之間;

  最大電壓:允許加的最大電壓一般在0.8?15.4伏,超過這個電壓不但不能制冷反而會制熱!外形尺寸越小,這個允許電壓也越小,跟厚度關系不大。

  制冷功率:當然越大越好,外形尺寸越大,制冷量越大,相同尺寸,一般是厚度越薄,制冷量越大,相應的電流也越大。不同型號的制冷量從0.8?120瓦!

  ▲選型要訣二:確定外形尺寸。大多數是方形從15x15mm到40x40mm,可根據不同芯片的大小來定。還有厚度問題,從3.2?4.5mm,由於制冷片要夾在芯片和散熱片中間,所以如何固定要事先考慮好。

  ▲選型要訣三:確定制冷量。根據芯片的發熱功率來選。比如早期的奔騰芯片,自身功耗達13w,那麼理論上說只要有一個制冷量為13w的制冷片就可以把奔騰發出的熱量全部吸收!實際上,大型制冷片的制冷量可高達40?68w!所以絕對能把CPU的熱量吸得一乾二淨,哈哈哈!當然,代價是要給它提供足夠的電源功率和良好的散熱環境。

  選購完了自然就要安裝了,由於現在市面上基本沒有現成的針對CPU的半導體制冷設備,就需要我們充分發揚DIY精神來自己做一個了。下面我就把制作以及安裝過程中的一些重點和注意事項給大家介紹一下。

  第一、不要搞錯冷熱端,要不然,您就等著給您的CPU收屍吧,分辨冷熱端的方法很簡單,通電以後摸一下就知道了。

  第二、半導體制冷快的熱端一定要有良好的散熱,因為它的冷端溫度決定於它的熱端溫度,而且半導體制冷塊是有一定的正常工作溫度的,超出的話,就會燒毀。所以,半導體制冷快的熱端要加裝散熱風扇或是水冷式散熱器。

  第三、半導體制冷塊的冷端不可以直接接觸CPU表面,中間要放置輔助散熱片,因為半導體制冷塊的冷端一般都要比CPU的核心大不少,需要用輔助散熱片把熱從CPU的核心傳導到半導體制冷快的冷端,有利於充分利用半導體制冷塊。

  第四、半導體制冷塊最好另外接電源,一是因為它的功率比較大,二是因為半導體制冷塊需要開動一段時間纔可以產生溫差,如果另接電源的話可以在開機之前,先開動制冷塊,為CPU提供一個非常好的低溫環境。

  第五、小心『結露』現象發生,半導體制冷塊的冷端達到足夠冷的時候,空氣中的水蒸氣就會在其表面凝結成為水滴。北方的朋友可以比較放心,這種現象在北方不太容易發生,南方或是氣候比較濕潤地區的朋友可要注意了,如果水滴流到您的主板或是CPU上的時候,呵呵,到時候您可不要說我沒有提醒過您喲。

  第六、各部分相接觸的地方都要涂導熱硅膠。

  裝好以後應該是這個樣子的,如下圖。
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新生代--熱管散熱器
  『熱管』--一個神秘又新鮮的技術,對於每個超頻和電腦愛好者來說,這門技術在大家的心目中,肯定是一項新生技術。在這個CPU散熱器需要『安靜』的電腦世界裡,似乎不用風扇的散熱器是比較受歡迎的。例如,思民(Zalman)公司所推出的無聲散熱器系列,就是采用了無CPU風扇,完全是靠機箱風扇或者是機箱對流過的空氣來代替CPU風扇的。其實,熱管散熱器的原理也跟這個構思並沒有多大的出入。

  對於熱管的來歷,想必大家也想了解一下吧?這裡就簡單的介紹一下,根據以往的記錄,1963年,George M.Grover科學家第一個發明並且成功的制造出了熱管。不過,通用汽車就早在1935年就申請了類似於這種元件的專利(這個也是歷史記載,至於是真是否,大家可以去查證一下)。直到20世紀的60年代,熱管纔普遍的受到人們的重視,逐漸成為一種提高傳熱效率的元件,熱管受到了眾多國家的重視。在這之前,熱管的造價也是相當的昂貴。在20世紀80年代之前,熱管的客戶還是政府、衛星上的系統等等一些高端科技和重要部門的身上,所以,對於廣大的電腦愛好者的消費者來說,買熱管是屬於比較奢侈的做法。但是,到了20世紀80年代,作為高端電子產品的散熱設備,熱管逐漸被市場接受。隨著熱管在這個大家的心目中普及,增長的需求降低大大降低了熱管的制造成本(畢竟物以稀為貴,既然是熱門產品,當然就便宜了,例如我們所使用的CPU)。降低成本後的熱管就使得散熱設備的設計者們可以將熱管應用於更多的產品中。到了近期的十多年,熱管開始被用於大量的家用電器,當中也不乏CPU散熱器的開發。

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  從上面的圖片我們可以清楚地看到貫穿整個散熱器的四根熱導管。這種導管並不是普通的實心管,裡面填充了特制的液態導熱介質。具體的工作原理是這樣的:熱管兩端產生溫差的時候,蒸發端的液體就會迅速氣化,將熱量帶向冷凝端,速度非常快。兩端溫差越大,蒸發速度越大。在極端的情況下,蒸發速度可能可以接近音速。液體在冷凝端凝結液化以後,通過毛細作用,流回蒸發端。如此循環往復,不斷地將熱量帶向溫度低的一端。水--氣之間的相變反應,使熱管的熱傳導效率比普通的純銅高數十倍,甚至上百倍。應用這種方式可以用極快的速度將熱量從熱管的底部導到熱管的頂部。這種極佳的導熱性能,可以使熱量不會在發熱部位堆積,而是均勻地散發到了散熱器的各個散熱翅片上,極大的提高了散熱片的導熱性能。

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  熱管技術充分體現了未來散熱器的發展趨勢:散熱效果好,噪音低,使用壽命長。目前唯一要解決的就是價格問題,隨著技術水平的提高,大規模工業生產,熱管必將成為未來主流散熱器產品,是下一代散熱器的首選技術。



液氮制冷法

  ?液氮散熱法目前在國外比較流行,那些外國『大蝦』喜歡用液氮這種危險的東西冷卻被瘋狂超頻後的CPU,但其效果是非常理想的。但不管怎樣,零下一百多度的液態氮可不是好玩兒的。


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軟件降溫法

  一工作原理

  降溫軟件的工作原理其實很簡單,因為一般我們在使用文字處理軟件或是上網時,會佔用到很少CPU的資源。而散熱軟件可以讓CPU在沒有工作或是工作比較清閑的時候,讓CPU休息一會,這樣一來CPU耗電量就會減少,相對的溫度就會降低啦!

  二、深入解釋

  不如讓筆者再解釋完整一點,如果要讓CPU在不需要使用的時候休息,那麼就得設計並安裝一套CPU控制軟件在操作系統中,並讓它取得最優先的權限。接下來它需要不斷地監視CPU的外來指令(也就是呼叫CPU工作),如果沒有,那麼它會呼叫一個HLT指令,此項指令就是使CPU進入暫停模式,這樣CPU就會暫時停止運作。如果你學過基本的程序設計(如BASIC、PASCAL、C++),那麼你應該就很容易知道它是怎麼去設計並執行的。

  如果這個監視程序偵測到有外來指令時,那麼它就會叫醒CPU,使其恢復處理工作。而此監視程式同時繼續不斷地監視著CPU是否有接受外來的指令,而當沒有的時候,就再讓CPU進入暫停模式了。

  工作原理很簡單,而且以軟件來操控CPU處於工作或是暫停模式,是不會有壞處的。而且您也不用擔心它的切換速度不夠快,它可是在很快的時間之內完成切換的動作喔!而這樣的程序一定得取得最優先的權限,否則就失去它的工作意義。事實上Windows操作系統是多麼地不重視CPU的效率問題!只可惜目前的Windows98或95並沒有內建這樣的功能,所以身為玩家的我們必須另外安裝這樣的軟件。

  目前較常見的這些降溫軟件有三種;分別是CPU Idle、Rain、Waterfall Pro。CPUidle是最先設計出來的降溫軟件,而另外兩者則是較晚推出的軟件。其實這些程序的基本工作原理都差不多,差別是在於它們如何取得最優先權與手段。另外還有一些主板廠商所設計出來的降溫程序,如微星的Soft Cooler II等等。它們也是很棒的降溫軟件(不過在使用前請注意一下它們是否可以適用在您的主機板上)!

  安裝降溫程序前要先注意的是這些軟件是否支持您的CPU,基本上您的CPU它們會支持,只不過是一但新的CPU推出時,如果這些軟件沒有昇級的話,那麼可能就不能工作喔!

  三、重點說明

  如果您光只想靠軟件降溫的方法是行不通的,畢竟它只能當作降溫的輔助工具。因為當CPU在超頻時,如果它正處於忙碌狀態時,降溫系統就幫不上忙了。所以想超頻還是得靠風扇或是水冷系統等硬件來幫忙,這樣纔能徹底解決CPU工作所產生的高溫問題!

fbi1985 2003-06-08 12:25 AM

不超頻....正常使用下....絕對是OK的....

a471 2003-06-08 01:47 AM

液態氮成本太大了~致冷片只是挖東牆補西牆....水冷還可以...

getter 2003-06-08 08:11 AM

把風散的軸心油封的地方上油並用透明塑膠片 + 矽膠 (或熱融膠)
封死、意外發現,風扇的轉速上升了......。

m6686 2003-06-08 08:21 AM

不超才是長久之計 超了也快到那裡去 感謝分享

pcshit 2003-06-08 05:34 PM

水冷區最後2.3句>>一套系統的售價最少得一百多塊,有點貴。>>啥時比風冷便宜拉??~~....

BLUE SPACE 2003-06-08 05:46 PM

引用:

原文由 pcshit 所發表
水冷區最後2.3句>>一套系統的售價最少得一百多塊,有點貴。>>啥時比風冷便宜拉??~~....

人民幣吧!

dav 2003-06-09 06:21 PM

最近一期的pc-shopper有介紹各種散熱膏及其優劣

而多數主機板廠商所附贈的散熱膏( 如ak100)其實散熱效果不好(請自行參考)

同時也介紹了一些以「銀粉」為導體的散熱膏

理論上,銀粉膏的散熱系數可達0.9,即1度的熱度介由它可帶過來0.9度

所以跑去光華逛一圈,終於買到了,249一條(約快乾膠大小),內容物與傳統
統的白色膏狀不同,就是有一點黑黑的銀粉,對了,就條補牙的銀粉

廢話不多說,效果:(xp1700+>> xp2600+)
原先的bios待機約51度,跑完3dmark 57 58,有時跑不完

現在 bios待機30分,監控所顯示是46 47(白天),跑完3dmark,主機板所附的監控是在 52,

去試試吧,品名是cooler master (pretinum),同樣的牌子,它有出70元的,不要去試…(大約就是ak100等級的)(以上均為室溫,開側蓋,沒吹電風)

crazyking 2003-06-09 06:43 PM

好專業的說明
不過要用銀粉膏散熱時要注意
有些銀粉高導電度過高,熔點過低
萬一沾到cpu上是有可能損壞cpu的


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