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講述CPU，GPU等芯片散熱
在日常中我們常被CPU，GPU等芯片的散熱所困擾，下面我從兩個(gè)方面來(lái)闡述這一問(wèn)題。歡迎大家閱讀！更多相關(guān)信息請(qǐng)關(guān)注相關(guān)欄目！
一、熱阻
首先我來(lái)談一下晶體管的基礎(chǔ)知識(shí)，晶體管器件是由半導(dǎo)體材料鍺或硅的PN或NP電結(jié)構(gòu)成（目前鍺材料已被逐步淘汰），下面主要介紹一下硅材料。
硅材料：硅具有優(yōu)良的半導(dǎo)體電學(xué)性質(zhì)。禁帶寬度適中，為1.21電子伏。載流子遷移率較高，電子遷移率為1350平方厘米/伏 .秒，空穴遷移率為480平方厘米/伏 .秒。本征電阻率在室溫(300K)下高達(dá)2.3×10的5次方 歐 .厘米，摻雜後電阻率可控制在10的4次方～10的負(fù)4次方 歐 .厘米的寬廣范圍內(nèi)，能滿足制造各種器件的需要。硅單晶的非平衡少數(shù)載流子壽命較長(zhǎng)，在幾十微秒至1毫秒之間。熱導(dǎo)率較大，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，又易于形成穩(wěn)定的熱氧化膜。在平面型硅器件制造中可以用氧化膜實(shí)現(xiàn)PN結(jié)表面鈍化和保護(hù)，還可以形成金屬氧化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，制造MOS型場(chǎng)效應(yīng)晶體管和集成電路。上述性質(zhì)使PN結(jié)具有良好特性，使硅器件具有耐高壓，反向漏電流小，效率高，使用壽命長(zhǎng)，可靠性好，熱傳導(dǎo)好等優(yōu)點(diǎn)。
在電腦中我們經(jīng)�？吹組OS器件，那么什么是MOS器件呢？
MOS的全文是：Metal Oxide Semiconductor 金屬氧化物半導(dǎo)體。用氧化膜硅材料制作的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，就叫做MOS型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，既：金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
在冬季，當(dāng)我們把手放在一塊木板和放在一塊鐵板上時(shí)，就會(huì)感覺(jué)到鐵板比木板涼，鐵板越大，接觸的越緊，越感到?jīng)�。這說(shuō)明鐵板比木板的散熱能力好，而且散熱能力與面積，體積，幾何形狀，以及接觸面的緊密程度都有關(guān)系。
在電腦工作時(shí)，芯片晶體管PN的損耗（任何集成電路芯片都是由N個(gè)晶體管組成）產(chǎn)生了溫升Ti，它是通過(guò)管芯與外殼之間的熱阻Rri，無(wú)散熱片時(shí)元件外殼和周?chē)h(huán)境之間的熱阻Rrb，元件與散熱片之間的熱阻Rrc和散熱片與周?chē)h(huán)境之間的熱阻Rrf這四種渠道將熱量傳走，使溫差能夠符合元件正常運(yùn)行的要求。
由于熱的傳導(dǎo)以流過(guò)Rri，Rrc和Rrf三個(gè)熱阻為主，因此總熱阻Rrz可以用下式來(lái)表示：Rrz＝Rri Rrc Rrf
于是當(dāng)芯片的允許溫升和功耗都已經(jīng)確定了以后，即可定出需要的總熱阻Rrz，再?gòu)南率街袥Q定散熱器的尺寸，這就是我要介紹熱阻的目的和它的應(yīng)用。
熱阻Rr是從芯片的管芯經(jīng)外殼，接觸面，散熱片到周?chē)諝獾目偀嶙鑂rz，因此可有下式計(jì)算得知。
Ti-Ta=Pc（Rti Rrc Rrf）=Pc Rrz
Rrz=（Ti-Ta）/Pc
式中：Ti芯片允許的結(jié)溫，Ta芯片環(huán)境周?chē)目諝鉁囟�，Pc芯片的熱源功率損耗
二、熱導(dǎo)系數(shù)
熱導(dǎo)系數(shù)（又被稱作“導(dǎo)熱系數(shù)”或“導(dǎo)熱率”）是反映材料熱性能的重要物理量。熱傳導(dǎo)是熱交換的三種（熱傳導(dǎo)，對(duì)流和輻射）基本形式之一，是工程熱物理，材料科學(xué)，固態(tài)物理，能源，環(huán)保等各個(gè)研究領(lǐng)域的課題。材料的導(dǎo)熱機(jī)理在很大程度上取決于它的微觀結(jié)構(gòu)，熱量的傳遞依靠原子，分子圍繞平衡位置的振動(dòng)以及自由電子的遷移。在導(dǎo)電金屬中電子流起支配作用，在絕緣體和大部分半導(dǎo)體中則以晶格振動(dòng)起主導(dǎo)作用。
1882年法國(guó)科學(xué)家傅里葉（J.Fourier）建立了熱傳導(dǎo)理論，目前各種測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)的方法都是建立在傅里葉熱傳導(dǎo)定律的基礎(chǔ)上。當(dāng)物體內(nèi)部有溫度梯度存在時(shí)，就有熱量從高溫處傳遞到低溫處，這種現(xiàn)象臂稱為熱傳導(dǎo)。傅里葉指出，在dt時(shí)間內(nèi)通過(guò)ds面積的熱量dQ，正比于物體內(nèi)的溫度梯度，其比例系數(shù)時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)，既：
dQ/dt＝-λ .dt/dx .ds
式中dQ/dt為傳熱速率，dt/dx是與面積ds相垂直的方向上的溫度梯度，“-”號(hào)表示熱量由高溫區(qū)域傳向低溫區(qū)域，λ是熱導(dǎo)系數(shù)，表示物體導(dǎo)熱能力的大小。在式中λ的單位是W.m負(fù)1次方.K負(fù)1次方。
對(duì)于各向異性材料，各個(gè)方向的導(dǎo)熱系數(shù)是不同的（常用張量來(lái)表示）。
如果大家對(duì)上述的公式看不懂或不太明白（上述屬于大學(xué)高等物理課程），下面我用通俗的語(yǔ)言表述熱導(dǎo)系數(shù)。
熱導(dǎo)系數(shù)又稱導(dǎo)熱系數(shù)或?qū)崧省１碚魑镔|(zhì)熱傳導(dǎo)性能的物理量。設(shè)在物體內(nèi)部垂直于導(dǎo)熱方向取兩個(gè)相距1米，面積為1平方米的平行面，而這兩個(gè)平面的溫度相差1度，則在1秒內(nèi)從一個(gè)平面?zhèn)鲗?dǎo)到另一平面的熱量就規(guī)定為該物質(zhì)的熱導(dǎo)率。其單位為：瓦/（米.攝氏度）,原工程單位制中則為：千卡/（米.小時(shí).攝氏度），熱導(dǎo)率的倒數(shù)稱為導(dǎo)熱熱阻。其它條件不變時(shí)，熱導(dǎo)率愈大導(dǎo)熱熱阻就愈小，則導(dǎo)熱量就愈大；反之則導(dǎo)熱量就愈小。
通過(guò)上述公式和定義可知：芯片散熱方式是靠與芯片接觸的基板（銅材或鋁材）面積與機(jī)箱內(nèi)的溫差通過(guò)箱內(nèi)的空氣流散熱的，這種散熱量與基板面積成正比。當(dāng)機(jī)箱內(nèi)溫度達(dá)到一定時(shí)，也就失去了散熱能力。要想把芯片散發(fā)出的熱量排走，在常規(guī)下只能用強(qiáng)風(fēng)。所以無(wú)風(fēng)扇靜音熱管的散熱方式，是不可取的。
另外根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理（就不列公式了），機(jī)箱風(fēng)扇的安裝，風(fēng)向必須一致，既：前入后出，形成一個(gè)風(fēng)道，才能將箱體內(nèi)的熱量帶走，起到散熱的目的。
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