“你功耗高，你發(fā)熱大”本是一句硬件玩家圈子里針對某個品牌CPU的黑話，沒想到今天竟然真的風水輪流轉成了另一個品牌的黑料。在電子數(shù)碼領域高功耗高發(fā)熱似乎是一個輪回。

隨著智能設備的蓬勃發(fā)展，對性能的要求越發(fā)嚴苛，讓非常多普通人也體會到了功耗和發(fā)熱的蓬勃發(fā)展。 其實這也是半導體發(fā)展的一個規(guī)律，每當半導體芯片的工藝制程成為瓶頸，想要提高性能最簡的方法就是提高頻率，而提高頻率也伴隨著功耗的增加。 另一方面，即便工藝制程有了突破，芯片的發(fā)熱和功耗得到了緩解，但另一方面，更小的芯片面積也讓即便不大的發(fā)熱更難導出，造成了所謂的積熱問題。

總之，發(fā)熱和散熱是半導體時代永不過時的熱門話題，甚至可能是一場我們身邊最精彩的技術大戰(zhàn)，我們每一個人都可能是這場大戰(zhàn)的親歷者。 首先，我們需要明確一個前提，半導體芯片的發(fā)熱是目前無法徹底解決的問題，我們也不去探討如何降低功耗和發(fā)熱，只從半導體散熱的角度談一談人類為散熱科技都做了哪些努力。 首先打開物理課本，看一看傳熱的三種方式：熱傳導、熱對流、熱輻射，我們一種一種來看。 熱傳導是通過材料微粒的微觀碰撞和電子的移動來傳遞內(nèi)部能量，我們?nèi)粘＝佑|得比較多的是固體材料的熱傳導，比如金屬材質的鐵鍋要比砂鍋導熱更快，才能實現(xiàn)爆炒。

熱對流則與流體相關，最簡單的例子是用鍋燒水，燃氣爐產(chǎn)生的熱量通過熱傳導給水加熱，鍋底的水受熱密度變小，向上流動置換掉頂部較冷密度較大的水，如此循環(huán)往復就形成了對流，讓鍋里的水溫度趨于均勻，當然這種自然對流需要重力環(huán)境。 最后是熱輻射，所有溫度高于絕對零度的物體都會發(fā)出電磁波，是熱能到電磁能的轉換，白熾燈、取暖用的小太陽這些都是熱輻射的典型例子。

傳熱的三種形式中，熱傳導和熱對流是人類散熱科技發(fā)展中重點關注的對象，而熱輻射雖然無處不在，但在電子元器件散熱領域研究得的確較少。 我們以某品牌沿用了9年的原裝CPU散熱器為經(jīng)典案例，其包含一個鋁制翅片和一個風扇，在翅片主體與CPU頂蓋接觸的部分涂有導熱硅脂。 在它工作時，熱量從CPU經(jīng)導熱硅脂傳導至鋁制翅片，翅片與空氣接觸，進而形成對流加速散熱，風扇的加入則強制空氣對流提高散熱效率。 整個過程中，熱量的流動主要通過熱傳導和熱對流，當然還有無處不在的熱輻射，但體量較小在此就忽略不討論，熱量從CPU芯片產(chǎn)生最終散失到空氣當中。

在這個經(jīng)典的CPU散熱系統(tǒng)中，有三個環(huán)節(jié)可以加強。第一是CPU與金屬翅片的接觸，通常使用導熱硅脂，這是一種具有一定流動性，良好導熱性以及良好絕緣性的材料。 硅脂可以填補CPU頂蓋與散熱器表面微觀的不平整，增大實際接觸面積。不同的硅脂配方也有不同的性能，一般用導熱系數(shù)來衡量，體現(xiàn)的是材料本身導熱的能力。

為了追求極致，甚至有玩家直接使用導熱系數(shù)十倍于硅脂的“液態(tài)金屬”充當導熱劑（常見硅脂的導熱系數(shù)在10W/mK以下，液態(tài)金屬可以達到70W/mK以上），放棄了更安全的硅脂。

然而在實際應用中，導熱劑的導熱系數(shù)并不能真實地反映出熱傳導的效率，同一種導熱劑在不同的幾何尺寸下導熱的效率也可以天差地別。 因此需要引出一個新的物理量——熱阻，當熱量在物體內(nèi)部以熱傳導的方式傳遞時，遇到的阻力稱為導熱熱阻。

對于熱流經(jīng)過的截面積不變的平板，導熱熱阻為L/（k*A）。其中L為平板的厚度，A為平板垂直于熱流方向的截面積，k為平板材料的熱導率。

可以發(fā)現(xiàn)，熱阻與導熱劑的厚度、面積和導熱率相關，與前者成正比，與后兩者成反比。具體到CPU散熱的系統(tǒng)中，提高導熱效率的方法除了更換導熱系數(shù)更高的硅脂外，還可以把硅脂壓得更薄，或者對填充界面進行拋光，增大實際的導熱面積。

第二個可加強的環(huán)節(jié)是散熱器導熱的金屬，一般較為廉價的散熱器會采用鋁制，一方面鋁的金屬加工非常成熟，另一方面鋁的導熱系數(shù)達到237 W/mK，是鐵的3倍左右。 高端一點的散熱器可能會在中心增加銅柱，或者直接使用純銅的翅片，不過需要考慮到散熱器整體的重量，安裝后可能會對強度不高主板帶來毀滅性打擊。

銅基本就是金屬翅片的頂配了，其導熱系數(shù)高達401 W/mK，當然還可以用導熱系數(shù)429 W/mK的銀，但從成本和提升來看是不太實際的。

然而，為了突破金屬材料的導熱極限，人類開發(fā)出了堪稱外掛級的散熱核心科技——熱管，它將散熱器的導熱系數(shù)提升到了“突破天際”的100000 W/mK（無限長度理想狀況下，實際工況下也可以達到10000 W/mK）。

熱管是如何突破金屬材料導熱上限的？這里用到了一個很常見的物理現(xiàn)象，液體的相變，即液體蒸發(fā)吸熱，凝結放熱的現(xiàn)象。 一個典型的熱管可以分為蒸發(fā)段和冷凝段，在蒸發(fā)段熱管內(nèi)的液體介質受熱蒸發(fā)，蒸汽帶走熱量流向冷凝段，在冷凝段凝結成液體并釋放熱量，最終液體通過重力、離心力或毛細作用返回到蒸發(fā)段，完成循環(huán)。

常見的熱管為銅制，外表面可能采用鍍鎳工藝，熱管內(nèi)壁由毛細多孔材料構成，填充的工作液體通常就是水或酒精，常常會被人訛傳為“液冷”或“水冷”，由于移動設備芯片功耗漸漲，這種把熱管當水冷的惡心營銷也屢見不鮮。 或許你會有疑問，水不是要燒到100℃才會相變蒸發(fā)嗎？現(xiàn)實中總不可能要芯片溫度到100℃熱管才開始工作吧？實際上熱管內(nèi)部一般會抽負壓，低壓狀態(tài)下水的沸點會變低，隨著溫度升高，熱管內(nèi)的蒸汽壓力變大，沸點又會升高，因此以水為工作液體的熱管可以在30~250℃的范圍內(nèi)工作。

在一些工作溫度極低的環(huán)境中也可以用液氮、液氦等，相反工作溫度極高的環(huán)境中可以用液態(tài)的鉀、鈉、鋰、銀等。 比如我國的青藏鐵路，為了防止凍土融化，維護鐵路路基的穩(wěn)定性，凍土段鐵軌兩旁插了“鐵棒”，這其實就是一種工作溫度較低的熱管，內(nèi)部填充的工作介質是氨，全稱為氨-碳鋼熱虹吸管。

至于前面提到的水冷或液冷，又是另一個新的發(fā)明，其原理是通過流動的液體介質（通常也是水）將熱量傳導至熱交換器，最終通過熱交換器把熱量散到空氣中。 從熱量流動的起點和終點來看，水冷其實與常見的金屬翅片散熱器差別不大，但水冷的熱對流效率更高，具體取決于水泵的功率和流速，加上水的熱容量大，可以讓水冷系統(tǒng)有更平穩(wěn)的溫度表現(xiàn)。

另外，水冷系統(tǒng)通過管路相連，熱交換器的安裝更為靈活，尺寸設計得更大，要比所謂的風冷系統(tǒng)性能更強一些。

不論過程如何，這些散熱器最終都要將熱量通過熱對流的方式散發(fā)到空氣中，系統(tǒng)符合所謂的木桶效應，即最薄弱的環(huán)節(jié)決定了整體的上限。 在熱管塔式散熱器和水冷散熱器中，最薄弱的環(huán)節(jié)其實是第三個環(huán)節(jié)，即空氣的熱對流，而提高這一環(huán)節(jié)最簡單的方法就是增大散熱翅片規(guī)模，加大風扇的功率。 所以對于CPU散熱器而言，頂級的產(chǎn)品往往少不了暴力的風扇，優(yōu)秀的風扇不僅可以讓散熱器的上限更好，也可以在同性能下實現(xiàn)更小的噪音。

以上就是關于典型散熱系統(tǒng)中三個環(huán)節(jié)的強化，可以說是非常簡化且不嚴謹?shù)男】破?，只希望能夠幫助大家理解過程。 最后，還要說一下另一個被包裝成“散熱黑科技”的手機冰封背夾風扇，有的號稱10秒結霜。實際上這是一種利用珀爾帖效應來制冷的技術，在不同導體的接頭處隨著電流方向的不同會分別出現(xiàn)吸熱、放熱現(xiàn)象。 簡單來說就是制冷片的一面制冷，相反的一面發(fā)熱，同時過程中還要額外產(chǎn)生一定的焦耳熱，總之發(fā)熱量大于制冷量。一個小小的手機冰封背夾風扇，功率甚至接近10w，相當于手機芯片的最大功率，其實效率并不高。

在移動設備上或許不痛不癢，但當愛好者把這種制冷片用于臺式機CPU散熱時就會發(fā)現(xiàn)，除了低負載下的溫度極低外，并不比普通的散熱系統(tǒng)高效，要達到理想的效果，制冷功率甚至超過了芯片的熱功耗，還容易產(chǎn)生冷凝水損害電子元器件，實在有些費力不討好。 相信每個人都希望用上性能優(yōu)秀、功耗低、發(fā)熱小的電子數(shù)碼設備，但受限于物理規(guī)律，它們可能構成了一個不可能三角。

但散熱技術是可能有突破的，新的材料、新的發(fā)明，意味著新的希望。再不濟，也可以期待一下電腦熱水器一體機的出現(xiàn)吧

原文標題：功耗高發(fā)熱大的數(shù)碼時代，我們靠什么散熱科技硬剛“大火爐”

文章出處：【微信公眾號：中科院半導體所】歡迎添加關注！文章轉載請注明出處。

責任編輯：haq