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
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。
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