讲述CPU，GPU等芯片散热知识

讲述CPU，GPU等芯片散热知识

[原创] 作者：不抬杠

    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。

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结的损耗（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

    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。