讲述CPU，GPU等芯片散热

在日常中我们常被CPU，GPU等芯片的散热所困扰，下面我从两个方面来阐述这一问题。欢迎大家阅读！更多相关信息请关注相关栏目！

一、热阻

首先我来谈一下晶体管的基础知识，晶体管器件是由半导体材料锗或硅的PN或NP电结构成（目前锗材料已被逐步淘汰），下面主要介绍一下硅材料。

硅材料：硅具有优良的半导体电学性质。禁带宽度适中，为1.21电子伏。载流子迁移率较高，电子迁移率为1350平方厘米/伏 .秒，空穴迁移率为480平方厘米/伏 .秒。本征电阻率在室温(300K)下高达2.3×10的5次方 欧 .厘米，掺杂後电阻率可控制在10的4次方～10的负4次方 欧 .厘米的宽广范围内，能满足制造各种器件的需要。硅单晶的非平衡少数载流子寿命较长，在几十微秒至1毫秒之间。热导率较大，化学性质稳定，又易于形成稳定的热氧化膜。在平面型硅器件制造中可以用氧化膜实现PN结表面钝化和保护，还可以形成金属氧化物半导体结构，制造MOS型场效应晶体管和集成电路。上述性质使PN结具有良好特性，使硅器件具有耐高压，反向漏电流小，效率高，使用寿命长，可靠性好，热传导好等优点。

在电脑中我们经常看到MOS器件，那么什么是MOS器件呢？

MOS的全文是：Metal Oxide Semiconductor 金属氧化物半导体。用氧化膜硅材料制作的场效应晶体管，就叫做MOS型场效应晶体管，既：金属氧化物场效应晶体管。

在冬季，当我们把手放在一块木板和放在一块铁板上时，就会感觉到铁板比木板凉，铁板越大，接触的越紧，越感到凉。这说明铁板比木板的散热能力好，而且散热能力与面积，体积，几何形状，以及接触面的紧密程度都有关系。

在电脑工作时，芯片晶体管PN的损耗（任何集成电路芯片都是由N个晶体管组成）产生了温升Ti，它是通过管芯与外壳之间的热阻Rri，无散热片时元件外壳和周围环境之间的热阻Rrb，元件与散热片之间的热阻Rrc和散热片与周围环境之间的热阻Rrf这四种渠道将热量传走，使温差能够符合元件正常运行的要求。

由于热的传导以流过Rri，Rrc和Rrf三个热阻为主，因此总热阻Rrz可以用下式来表示：Rrz＝Rri Rrc Rrf

于是当芯片的允许温升和功耗都已经确定了以后，即可定出需要的总热阻Rrz，再从下式中决定散热器的尺寸，这就是我要介绍热阻的目的和它的应用。

热阻Rr是从芯片的管芯经外壳，接触面，散热片到周围空气的总热阻Rrz，因此可有下式计算得知。

Ti-Ta=Pc（Rti Rrc Rrf）=Pc Rrz

Rrz=（Ti-Ta）/Pc

式中：Ti芯片允许的结温，Ta芯片环境周围的空气温度，Pc芯片的热源功率损耗

二、热导系数

热导系数（又被称作“导热系数”或“导热率”）是反映材料热性能的`重要物理量。热传导是热交换的三种（热传导，对流和辐射）基本形式之一，是工程热物理，材料科学，固态物理，能源，环保等各个研究领域的课题。材料的导热机理在很大程度上取决于它的微观结构，热量的传递依靠原子，分子围绕平衡位置的振动以及自由电子的迁移。在导电金属中电子流起支配作用，在绝缘体和大部分半导体中则以晶格振动起主导作用。

1882年法国科学家傅里叶（J.Fourier）建立了热传导理论，目前各种测量导热系数的方法都是建立在傅里叶热传导定律的基础上。当物体内部有温度梯度存在时，就有热量从高温处传递到低温处，这种现象臂称为热传导。傅里叶指出，在dt时间内通过ds面积的热量dQ，正比于物体内的温度梯度，其比例系数时导热系数，既：

dQ/dt＝-λ .dt/dx .ds

式中dQ/dt为传热速率，dt/dx是与面积ds相垂直的方向上的温度梯度，“-”号表示热量由高温区域传向低温区域，λ是热导系数，表示物体导热能力的大小。在式中λ的单位是W.m负1次方.K负1次方。

对于各向异性材料，各个方向的导热系数是不同的（常用张量来表示）。

如果大家对上述的公式看不懂或不太明白（上述属于大学高等物理课程），下面我用通俗的语言表述热导系数。

热导系数又称导热系数或导热率。表征物质热传导性能的物理量。设在物体内部垂直于导热方向取两个相距1米，面积为1平方米的平行面，而这两个平面的温度相差1度，则在1秒内从一个平面传导到另一平面的热量就规定为该物质的热导率。其单位为：瓦/（米.摄氏度）,原工程单位制中则为：千卡/（米.小时.摄氏度），热导率的倒数称为导热热阻。其它条件不变时，热导率愈大导热热阻就愈小，则导热量就愈大；反之则导热量就愈小。

通过上述公式和定义可知：芯片散热方式是靠与芯片接触的基板（铜材或铝材）面积与机箱内的温差通过箱内的空气流散热的，这种散热量与基板面积成正比。当机箱内温度达到一定时，也就失去了散热能力。要想把芯片散发出的热量排走，在常规下只能用强风。所以无风扇静音热管的散热方式，是不可取的。

另外根据空气动力学原理（就不列公式了），机箱风扇的安装，风向必须一致，既：前入后出，形成一个风道，才能将箱体内的热量带走，起到散热的目的。

石墨烯是一种新发现的材料，它的物理性质是拉力好、导电性和导热性好、硬度大、熔点高等，根据它的这些特性我们就能知道它的用途．

石墨烯具有优良导热性，故适合做交通信号灯和电动汽车中使用的半导体材料

石墨散热片（ TCGS-S ： Thermal Flexible Graphite sheet)的化学成分主要是单一的碳(C)元素，是一种自然元素矿物。薄膜高分子化合物可以通过化学方法高温高压下得到

（TCGS-S）石墨化薄膜，因为碳元素是非金属元素，但却有金属材料的导电、导热性能，还具有象有机塑料一样的可塑性，并且还有特殊的热性能，化学稳定性，润滑和能涂敷在固体表面的等一些良好的工艺性能，因此，在电子、通信、照明、航空及国防军工等许多领域都得到了广泛的应用。

石墨散热片的散热原理：

典型的热学管理系统是由外部冷却装置，散热器和热力截面组成。而散热片的重要功能是创造出最大的有效表面积，在这个表面上热力被转移并有外界冷却媒介带走。石墨散热片就是通过将热量均匀的分布在二维平面从而有效的将热量转移，保证组件在所承受的温度下工作。

　一般来说，热管中都会有一个吸液芯，同时装有液体，其中一端受热，液体会蒸发吸热，接着在另一端冷凝放热，在重力作用、毛细作用下，通过吸液芯回流到热段，实现导热，而因为热管中确实存在液体，所以要说热管导热是水冷散热，也说得过去。至少，在这样的作用下，热管的等效导热能力基本可以超过任何一种已知的金属材料。 可以看到，虽然目前手机所采用的散热方案并非绝对意义上的“水冷”，不过效果上，就目前来说，算是最佳解决方案了。

了解了目前手机的“水冷散热”，相信很多朋友对手机的各类散热方案会比较感兴趣，下面就为大家按照智能手机发展的顺序梳理一下。

石墨散热

首先出现的关于散热的关键词，自然要数“石墨散热”了，我们知道，石墨是一种良好的导热材料，它是元素碳的一种同素异形体，碳稳定，所以在多种工业用途中碳元素构成的东西是普遍存在的。目前我们认识的石墨具有耐高温、导电导热性、润滑性、化学稳定性、可塑性以及抗热震性。仅在导热性一条上，也是可以超过钢、铁、铅等多种金属材料的。

具体原理上，石墨散热的散热原理实际上是利用了石墨具有独特的晶粒取向，它沿两个方向均匀导热，同时延展性又强，可以贴附在手机内部的电路板上面，既可以阻隔元器件之间的接触，也起到一定的抗震作用。由于导热性能高，它可以很快将处理器发出的热量传递至大面积石墨膜的各个位置进行热量扩散，从而间接起到了散热作用。石墨散热材料目前应用在其他各大品牌的手机/平板当中，俨然成为散热的基础配置了，应用还是非常广泛的。

金属背板散热

早先塑料材质的智能手机受限于芯片和 PCB 的工艺，手机壳内部的空闲体积还比较大，只有石墨层的情况下也基本能够满足芯片散热需求。而随着机身变得更加轻薄以及金属框架的加入，手机内的可供空气流通的空间越来越小，散热方式需要进一步改进才能满足芯片在低温环境中平稳运行。

所以，后来推出的一些手机在采用了金属外壳的产品中使用了一种金属背板散热的技术，它在使用石墨散热膜的基础上，在金属外壳的内部也设计了一层金属导热板，它可以将石墨导出的热量直接通过这层金属导热板传递至金属机身的各个角落，这样一来密闭空间中的热量便能迅速扩散并消失，握持时人也不会感受到太多的热量存在。

导热凝胶散热

接着是导热凝胶散热，关于这种方式，大家应该也是比较熟悉的，其实和电脑的处理器和散热器中间的那种硅脂层是一个原理，其作用是让处理器散发的热量能够更快的传递到散热器上从而散发出去。

同理，这样的技术也可应用在手机处理器当中，此前一些手机的处理器上便采用了类似于硅脂的导热凝胶散热剂，这样做比只贴有石墨散热膜的效果更好，热传导会更加迅速。

冰巢散热

然后就要说到冰巢散热技术了，这项散热技术在此前也算得上是一种黑科技了，只不过没有闹到很大的程度，它是一项散热新技术。其散热原理同样借鉴了电脑中常用的导热硅脂，填充发热点与导热结构之间的缝隙，以达到更快散热的作用，和导热凝胶散热技术相似。只不过其采用的散热材料不是导热凝胶或硅脂，而是一种类液态金属的相变材料。

相变材料指的是物理性质随温度变化而变化，吸收或释放大量热量的材料，这种类液态金属的相变材料会在温度升高时逐渐由固态转变成液态，同时吸收大量的热量。所以它除了传导热量之外，也吸收了一部分热量。其实从效果来看，这种散热方式也是不错的，不过这种散热方法相对上面三种，因为相变材料与金属屏蔽盖的结合并没有那么容易，所以成本要高出很多。

热管散热(水冷散热)

最后就是热管散热技术了，也就是我们前面提到的“水冷散热”技术，关于其原理，我们前面已经提到了，该技术其实并不是首次在手机中出现的，2013年5月，日本一家智能手机厂商就发布了世界上第一款采用热管散热技术的手机。其内部封装了一条充满纯水的热管，长约10厘米，热管和处于主板平行位置的石墨散热片充分结合，迅速将处理器产生的热量传导至聚碳酸酯外壳上，以实现散热的目的。

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