2024年3月24日发(作者：浦代卉)
讲述CPU，GPU等芯片散热
讲述CPU，GPU等芯片散热
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。欢迎大家阅读！更多相关信息请关注相关栏
目！
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（r）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。
下载全文
2024年3月24日发(作者：浦代卉)
讲述CPU，GPU等芯片散热
讲述CPU，GPU等芯片散热
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。欢迎大家阅读！更多相关信息请关注相关栏
目！
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（r）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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