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。
功率器件的散热计算及散热器选择
Heat Dispersion Calculation For Power Devices and Radiators Selection
功率管的散热基础理论
功率管是电路中最容易受到损坏的器件.损坏的大部分原因是由于管子的实际耗散功率超过了额定数值.那么它的额定功
耗值是怎样确定的,还有没有潜力可挖呢?让我们来分析一下.
晶体管耗散功率的大小取决于管子内部结温Tj. 当Tj超过允许值后,电流将急剧增大而使晶体管烧毁.硅管允许结温一般
是125~200℃,锗管为85℃左右(具体标准在产品手册中给出).耗散功率是指在一定条件下使结温不超过最大允许值时的电流
与电压乘积.管子消耗的功率越大,结温越高.要保证结温不超过允许值,就必须将产生热散发出去.散热条件越好,则对应于相同
结温允许的管耗越大,输出也就越大.因此功率管的散热问题是至关重要的.
热阻
为了描述器件的散热情况,引入热阻的概念.电流流过电阻R，电阻消耗功率RI2[W]（每秒RI2焦耳能量），导致电阻温度
上升。用隔热材料覆盖电阻，电阻产生的热量不能散发时，则电阻温度随着时间增加而上升，直至电阻烧坏。
一般而言，二物体间的温差越大，温度高的物体向低的物体移动量增多。某电阻置于空气中（如图6.33所示），由于流
过电流向电阻提供功率，这功率变为热能。在使电阻温度生高的同时，部分热能散发于空气中。开始有电流流过电阻时，电
阻温度不高，因此散发的热也小，电阻温度逐渐上升，散发的热量也上升
与用电阻表示对电流的阻力类似.热阻表示热传输时所受的阻力.即由U1-U2=I×R可有类似的关系
T1-T2=P×RT (1-1)
其中T1-T2为两点温度之差,P为传输的热功率,RT是传输单位功率时温度变化度数,单位是℃/W.RT越大表明相同温差下散发
的热能越小.于是结温Tj,环境温度Ta,管耗PCM及管子的等效热阻RT之间有以下的关系
Tj-Ta=PCM×RT (1-2)
晶体管(或半导体)的热阻与温度、功耗之间的关系为：
Ta=Tj-*P(Rjc+Rcs+Rsa)=Tj-P*Rja
下图是等效热路图：
公式中，Ta表示环境温度，Tj表示晶体管的结温， P表示功耗，Rjc表示结壳间的热阻，Rcs表示晶体管外壳与散热器间的热阻，Rsa表示散热器与环境间的热阻。Rja表示结与环境间的热阻。
当功率晶体管的散热片足够大而且接触足够良好时，壳温Tc=Ta，晶体管外壳与环境间的热阻Rca=Rcs+Rsa=0。此时Ta=Tj-*P(Rjc+Rcs+Rsa)演化成公式Ta=Tc=Tj-P*Rjc。
厂家规格书一般会给出，最大允许功耗Pcm、Rjc及(或) Rja等参数。一般Pcm是指在Tc=25℃或Ta=25℃时的最大允许功耗。当使用温度大于25℃时，会有一个降额指标。
以ON公司的为例三级管2N5551举个实例：
2N5551规格书中给出壳温Tc=25℃时的最大允许功耗是1.5W，Rjc是83.3度/W。
代入公式Tc=Tj- P*Rjc有：25=Tj-1.5*83.3可以从中推出最大允许结温Tj为150度。一般芯片最大允许结温是确定的。
所以，2N5551的允许壳温与允许功耗之间的关系为：Tc=150-P*83.3。比如，假设管子的功耗为1W，那么，允许的壳温Tc=150-1*83.3=66.7度。
注意，此管子Tc =25℃时的最大允许功耗是1.5W，如果壳温高于25℃,功率就要降额使用。规格书中给出的降额为12mW/度(0.012W/度）。我们可以用公式来验证这个结论。假设壳温为Tc，那么，功率降额为0.012*(Tc-25)。则此时最大总功耗为1.5-0.012*(Tc-25)。把此时的条件代入公式Tc=Tj- P*Rjc得出：
Tc=150-(1.5-0.012*(Tc-25))*83.3，公式成立。
一般情况下没办法测Tj，可以经过测Tc的方法来估算Tj。公式变为：
（一）散热器选择通用原则
散热器热阻Rsa 是选择散热器的主要依据。
Rsa =
cajmPTT− -（Rjc+ Rcs）
式中:
Rsa──── 散热器热阻，℃/W；
Rjc──── 半导体器件结壳热阻，℃/W；
Rcs──── 接触热阻，℃/W； Tjm ──── 半导体器件最高工作结温，℃；
T a──── 环境温度，℃；
Pc ──── 半导体器件耗散功率，W；
Tjm，Pc，Rjc可以从器件技术参数表中查到，或计算得到；T a是实际工作环境
温度；Rcs与接触材料的种类和接触压力有关，可以根据接触材料（如硅脂）的热
阻参数估算得到。
所选择的散热器，其热阻值应小于以上的计算值，就可满足散热的要求。
散热器的热阻与材质，结构，表面状态，表面颜色，几何尺寸及冷却条件等
有关；应该按照有关的标准用实验的方法测试得到，常用的散热器热阻曲线有3
种，（1）热阻——长度曲线，（2）热阻——风速曲线，(3)功耗——温升曲线。
用CFD技术模拟仿真运算可以得到散热器的热阻值，风压及温度分布状况，
为散热器选择提供参考依据。
（二）电力半导体用散热器的选择和使用原则
摘自JB/T9684-2000
一﹑散热器选择的基本原则
电力半导体器件用散热器选择要根据器件的耗散功率，器件结壳热阻，接触
热阻，以及器件最高工作结温和冷却介质温度来综合考虑。
选用散热器时要了解散热器的散热能力范围，冷却方式，技术参数和结构特点，
一种器件仅从热阻参数看，可能有多种散热器均能满足散热要求，但应结合冷却，
安装，通用互换和经济性来综合考虑。
二﹑器件与散热器紧固力的要求
为使器件与散热器组装后又良好的热接触，必须采用合适的安装力或安装力
矩，其值由器件制造厂或器件标准给出，具有较小的范围，组装时应严格遵守不
要超出范围，当器件厂未给出紧固力时，按照器件管壳与散热器接触的面积，可
