功耗高发热大的数码时代，我们靠什么散热科技硬刚“大火炉”

中科院半导体所 5天前

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来源：公众号“SME科技故事”

“你功耗高，你发热大”本是一句硬件玩家圈子里针对某个品牌CPU的黑话，没想到今天竟然真的风水轮流转成了另一个品牌的黑料。在电子数码领域高功耗高发热似乎是一个轮回。

随着智能设备的蓬勃发展，对性能的要求越发严苛，让非常多普通人也体会到了功耗和发热的蓬勃发展。

其实这也是半导体发展的一个规律，每当半导体芯片的工艺制程成为瓶颈，想要提高性能最简的方法就是提高频率，而提高频率也伴随着功耗的增加。

另一方面，即便工艺制程有了突破，芯片的发热和功耗得到了缓解，但另一方面，更小的芯片面积也让即便不大的发热更难导出，造成了所谓的积热问题。

芯片制程工艺发展

总之，发热和散热是半导体时代永不过时的热门话题，甚至可能是一场我们身边最精彩的技术大战，我们每一个人都可能是这场大战的亲历者。

首先，我们需要明确一个前提，半导体芯片的发热是目前无法彻底解决的问题，我们也不去探讨如何降低功耗和发热，只从半导体散热的角度谈一谈人类为散热科技都做了哪些努力。

首先打开物理课本，看一看传热的三种方式：热传导、热对流、热辐射，我们一种一种来看。

热传导是通过材料微粒的微观碰撞和电子的移动来传递内部能量，我们日常接触得比较多的是固体材料的热传导，比如金属材质的铁锅要比砂锅导热更快，才能实现爆炒。

生活中很多常见的操作都包含传热的三种方式

热对流则与流体相关，最简单的例子是用锅烧水，燃气炉产生的热量通过热传导给水加热，锅底的水受热密度变小，向上流动置换掉顶部较冷密度较大的水，如此循环往复就形成了对流，让锅里的水温度趋于均匀，当然这种自然对流需要重力环境。

最后是热辐射，所有温度高于绝对零度的物体都会发出电磁波，是热能到电磁能的转换，白炽灯、取暖用的小太阳这些都是热辐射的典型例子。

小太阳取暖器是热辐射的典型案例

传热的三种形式中，热传导和热对流是人类散热科技发展中重点关注的对象，而热辐射虽然无处不在，但在电子元器件散热领域研究得的确较少。

我们以某品牌沿用了9年的原装CPU散热器为经典案例，其包含一个铝制翅片和一个风扇，在翅片主体与CPU顶盖接触的部分涂有导热硅脂。

在它工作时，热量从CPU经导热硅脂传导至铝制翅片，翅片与空气接触，进而形成对流加速散热，风扇的加入则强制空气对流提高散热效率。

整个过程中，热量的流动主要通过热传导和热对流，当然还有无处不在的热辐射，但体量较小在此就忽略不讨论，热量从CPU芯片产生最终散失到空气当中。

经典流传的原装散热器

在这个经典的CPU散热系统中，有三个环节可以加强。第一是CPU与金属翅片的接触，通常使用导热硅脂，这是一种具有一定流动性，良好导热性以及良好绝缘性的材料。

硅脂可以填补CPU顶盖与散热器表面微观的不平整，增大实际接触面积。不同的硅脂配方也有不同的性能，一般用导热系数来衡量，体现的是材料本身导热的能力。

导热硅脂具有一定的流动性，良好的导热性和绝缘性

为了追求极致，甚至有玩家直接使用导热系数十倍于硅脂的“液态金属”充当导热剂（常见硅脂的导热系数在10W/mK以下，液态金属可以达到70W/mK以上），放弃了更安全的硅脂。

液金导热剂昂贵且不安全

然而在实际应用中，导热剂的导热系数并不能真实地反映出热传导的效率，同一种导热剂在不同的几何尺寸下导热的效率也可以天差地别。

因此需要引出一个新的物理量——热阻，当热量在物体内部以热传导的方式传递时，遇到的阻力称为导热热阻。

对于热流经过的截面积不变的平板，导热热阻为L/(k*A）。其中L为平板的厚度，A为平板垂直于热流方向的截面积，k为平板材料的热导率。

可以发现，热阻与导热剂的厚度、面积和导热率相关，与前者成正比，与后两者成反比。具体到CPU散热的系统中，提高导热效率的方法除了更换导热系数更高的硅脂外，还可以把硅脂压得更薄，或者对填充界面进行抛光，增大实际的导热面积。

导热硅脂涂得越多越厚导热效果可能越差

第二个可加强的环节是散热器导热的金属，一般较为廉价的散热器会采用铝制，一方面铝的金属加工非常成熟，另一方面铝的导热系数达到237 W/mK，是铁的3倍左右。

高端一点的散热器可能会在中心增加铜柱，或者直接使用纯铜的翅片，不过需要考虑到散热器整体的重量，安装后可能会对强度不高主板带来毁灭性打击。

铜基本就是金属翅片的顶配了，其导热系数高达401 W/mK，当然还可以用导热系数429 W/mK的银，但从成本和提升来看是不太实际的。

然而，为了突破金属材料的导热极限，人类开发出了堪称外挂级的散热核心科技——热管，它将散热器的导热系数提升到了“突破天际”的100000 W/mK（无限长度理想状况下，实际工况下也可以达到10000 W/mK）。

热管原理示意图

热管是如何突破金属材料导热上限的？这里用到了一个很常见的物理现象，液体的相变，即液体蒸发吸热，凝结放热的现象。

一个典型的热管可以分为蒸发段和冷凝段，在蒸发段热管内的液体介质受热蒸发，蒸汽带走热量流向冷凝段，在冷凝段凝结成液体并释放热量，最终液体通过重力、离心力或毛细作用返回到蒸发段，完成循环。

热管横截面结构

常见的热管为铜制，外表面可能采用镀镍工艺，热管内壁由毛细多孔材料构成，填充的工作液体通常就是水或酒精，常常会被人讹传为“液冷”或“水冷”，由于移动设备芯片功耗渐涨，这种把热管当水冷的恶心营销也屡见不鲜。

或许你会有疑问，水不是要烧到100℃才会相变蒸发吗？现实中总不可能要芯片温度到100℃热管才开始工作吧？实际上热管内部一般会抽负压，低压状态下水的沸点会变低，随着温度升高，热管内的蒸汽压力变大，沸点又会升高，因此以水为工作液体的热管可以在30~250℃的范围内工作。

热管内部的金属粉末烧结吸液芯

在一些工作温度极低的环境中也可以用液氮、液氦等，相反工作温度极高的环境中可以用液态的钾、钠、锂、银等。

比如我国的青藏铁路，为了防止冻土融化，维护铁路路基的稳定性，冻土段铁轨两旁插了“铁棒”，这其实就是一种工作温度较低的热管，内部填充的工作介质是氨，全称为氨-碳钢热虹吸管。

青藏铁路轨道两旁的热管

至于前面提到的水冷或液冷，又是另一个新的发明，其原理是通过流动的液体介质（通常也是水）将热量传导至热交换器，最终通过热交换器把热量散到空气中。

从热量流动的起点和终点来看，水冷其实与常见的金属翅片散热器差别不大，但水冷的热对流效率更高，具体取决于水泵的功率和流速，加上水的热容量大，可以让水冷系统有更平稳的温度表现。

另外，水冷系统通过管路相连，热交换器的安装更为灵活，尺寸设计得更大，要比所谓的风冷系统性能更强一些。

360mm规格一体水冷巨大的热交换器和豪华的风扇配置

不论过程如何，这些散热器最终都要将热量通过热对流的方式散发到空气中，系统符合所谓的木桶效应，即最薄弱的环节决定了整体的上限。

在热管塔式散热器和水冷散热器中，最薄弱的环节其实是第三个环节，即空气的热对流，而提高这一环节最简单的方法就是增大散热翅片规模，加大风扇的功率。

所以对于CPU散热器而言，顶级的产品往往少不了暴力的风扇，优秀的风扇不仅可以让散热器的上限更好，也可以在同性能下实现更小的噪音。

工业级暴力风扇效果好，但噪音极大

以上就是关于典型散热系统中三个环节的强化，可以说是非常简化且不严谨的小科普，只希望能够帮助大家理解过程。

最后，还要说一下另一个被包装成“散热黑科技”的手机冰封背夹风扇，有的号称10秒结霜。实际上这是一种利用珀尔帖效应来制冷的技术，在不同导体的接头处随着电流方向的不同会分别出现吸热、放热现象。

简单来说就是制冷片的一面制冷，相反的一面发热，同时过程中还要额外产生一定的焦耳热，总之发热量大于制冷量。一个小小的手机冰封背夹风扇，功率甚至接近10w，相当于手机芯片的最大功率，其实效率并不高。

某品牌手机冰封背夹散热器的宣传

在移动设备上或许不痛不痒，但当爱好者把这种制冷片用于台式机CPU散热时就会发现，除了低负载下的温度极低外，并不比普通的散热系统高效，要达到理想的效果，制冷功率甚至超过了芯片的热功耗，还容易产生冷凝水损害电子元器件，实在有些费力不讨好。

相信每个人都希望用上性能优秀、功耗低、发热小的电子数码设备，但受限于物理规律，它们可能构成了一个不可能三角。

但散热技术是可能有突破的，新的材料、新的发明，意味着新的希望。再不济，也可以期待一下电脑热水器一体机的出现吧

[1]孔森,温智,吴青柏,王大雁.热管在青藏高原多年冻土区高速公路应用中的适用性评价[J].中南大学学报(自然科学版),2019,50(06):1384-1391.

[2]王杰,王茜.热管科学及吸液芯研究进展回顾与展望[J].化工进展,2015,34(04):891-902.

[3]夏再忠. 导热和对流换热过程的强化与优化[D].清华大学,2001.

编辑：Lemon

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