當熱量傳到散熱器的頂部后，就需要盡快地將傳來的熱量散發到周邊環境中去，對風冷散熱器而言就是要與周圍的空氣進行熱交換。這時，熱量是在兩種不同介質間傳遞，所依循的公式為Q=α X A X ΔT，其中ΔT為兩種介質間的溫差，即散熱器與周圍環境空氣的溫度差；而α為流體的導熱系數，在散熱片材質和空氣成分確定后，它就是一個固定值；其中最重要的A是散熱片和空氣的接觸面積，在其他條件不變的前提下，如散熱器的體積一般都會有所限制，機箱內的空間有限，過大會加大安裝的難度，而通過改變散熱器的形狀，增大其與空氣的接觸面積，增加熱交換面積，是提高散熱效率的有效手段。、要實現這一點，一般通過用鰭片式設計輔以表面粗糙化或螺紋等辦法來增大表面積。
　　當熱量傳遞給空氣后，和散熱片接觸的空氣溫度會急速上升，這時候，熱空氣應該盡可能和周圍的冷空氣通過對流等熱交換方式來將熱量帶走，對風冷散熱器來說，最主要的手段便是提高空氣流動的速度，使用風扇來實現強制對流。這點主要和風扇的設計和風速有關，散熱器風扇的效能(例如流量、風壓)主要取決于風扇扇葉直徑、軸向長度、風扇轉速和扇葉形狀。風扇的流量大都采用 CFM為單位(英制，立方英尺/分鐘)，一個CFM大約為0.028mm3/分鐘的流量。
　　純鋁散熱器
　　純鋁散熱器是早期最為常見的散熱器，其制造工藝簡單，成本低，到目前為止，純鋁散熱器仍然占據著相當一部分市場。為增加其鰭片的散熱面積，純鋁散熱器最常用的加工手段是鋁擠壓技術，而評價一款純鋁散熱器的主要指標是散熱器底座的厚度和Pin-Fin比。Pin是指散熱片的鰭片的高度，Fin是指相鄰的兩枚鰭片之間的距離。Pin-Fin比是用Pin的高度(不含底座厚度)除以Fin，Pin-Fin 比越大意味著散熱器的有效散熱面積越大，代表鋁擠壓技術越先進。
　　純銅散熱器
　　銅的熱傳導系數是鋁的1.69倍，所以在其他條件相同的前提下，純銅散熱器能夠更快地將熱量從熱源中帶走。不過銅的質地是個問題，很多標榜“純銅散熱器”其實并非是真正的100％的銅。在銅的列表中，含銅量超過99％的被稱為無酸素銅，下一個檔次的銅為含銅量為85％以下的丹銅。目前市場上大多數的純銅散熱器的含銅量都在介于兩者之間。而一些劣質純銅散熱器的含銅量甚至連85％都不到，雖然成本很低，但其熱傳導能力大大降低，影響了散熱性。此外，銅也有明顯的缺點，成本高，加工難，散熱器質量太大都阻礙了全銅散熱片的應用。紅銅的硬度不如鋁合金AL6063，某些機械加工(如剖溝等)性能不如鋁；銅的熔點比鋁高很多，不利于擠壓成形( Extrusion )等等問題。
　　雖然，目前最常用的散熱片材料是銅和鋁合金，鋁合金容易加工，成本低，是應用最多的材料，而銅較高的熱傳導系數，使得其瞬間吸熱能力比鋁合金好，但散熱的速度就較鋁合金要慢。因此，無論純銅、純鋁、還是鋁合金散熱器，都有一個致命的缺陷：由于只使用一種材質，雖然基本的散熱能力能夠滿足輕度散熱的需要，但由于無法很好地均衡熱傳導能力和熱容量能力兩個方面的要求，在散熱要求較高的場合便未免有些力不從心了。
　　銅鋁結合技術
　　在考慮了銅和鋁這兩種材質各自的缺點后，目前市場部分高端散熱器往往采用銅鋁結合制造工藝，這些散熱片通常都采用銅金屬底座，而散熱鰭片則采用鋁合金，當然，除了銅底，也有散熱片使用銅柱等方法，也是相同的原理。憑借較高的導熱系數，銅制底面可以快速吸收CPU釋放的熱量；鋁制鰭片可以借助復雜的工藝手段制成最有利于散熱的形狀，并提供較大的儲熱空間并快速釋放，這在各方面找到了的一個均衡點。
　　熱量從CPU核心散發到散熱片表面，是一個熱傳導過程。對于散熱片的底座而言，由于直接與高熱量的小面積熱源接觸，這就要求底座能夠迅速將熱量傳導開來。散熱片選用較高熱傳導系數的材料對提高熱傳導效率很有幫助。通過熱傳導系統對照表可以看出，如鋁的熱傳導系數237W/mK，銅的熱傳導系數則為401W/mK，而比較同樣體積的散熱器，銅的重量是鋁的3倍，而鋁的比熱僅為銅的2.3倍，所以相同體積下，銅質散熱器可以比鋁質散熱器容納更多的熱量，升溫更慢。同樣厚度的散熱器底座，銅不但可以快速引走熱源如CPU Die的溫度，自己的溫度上升也比鋁的散熱片緩慢。因此銅更適合做成散熱器的底面。
　　不過，這兩種金屬的結合比較困難，銅和鋁之間的親和力較差，如果接合處理不好，便會產生較大的介面熱阻(即兩種金屬之間由于不充分接觸而產生的熱阻)。在實際設計和制造中，廠商總是盡可能降低介面熱阻，揚長避短，往往這也體現了廠商的設計能力與制造工藝。