讲述CPU,GPU等芯片散热知识

1、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。，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2.3X 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

2、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

3、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 RrfRrz,再于是当芯片的允许温升和功

4、耗都已经确定了以后，即可定出需要的总热阻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 RrzRrz=( 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，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

5、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 =-入.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

6、由高温区域传向低温区域，入是热导系数，表示物体导热能力的大小。 在式中入的单位是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