半導(dǎo)體與熱管一體化散熱器研究

周巧揚(yáng) 胥杭君 吳江梅 吳寬寬 葉 璐（成都理工大學(xué)，信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610059）

半導(dǎo)體與熱管一體化散熱器研究

周巧揚(yáng) 胥杭君 吳江梅 吳寬寬 葉 璐
（成都理工大學(xué)，信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610059）

摘 要：半導(dǎo)體與熱管一體化散熱器主要為解決目前市面上普通熱管工作效率低的問題設(shè)計(jì)，半導(dǎo)體的制冷效果有效地降低了周圍空氣的溫度，增大與熱管的溫度差，使熱管能快速散熱，達(dá)到有效降低筆記本電腦溫度的效果。熱管與半導(dǎo)體一體化的設(shè)計(jì)也能很好的解決單純引用半導(dǎo)體制冷設(shè)計(jì)的凝霜問題，同時使用風(fēng)扇輔助排除半導(dǎo)體產(chǎn)熱面和熱管周圍的熱空氣以及濕度較大的空氣，使筆記本電腦能快速高效的散熱，且不存在內(nèi)部器件受損的問題。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體散熱；熱管散熱； 一體化散熱器

1 引言

如今筆記本電腦以其方便攜帶等諸多優(yōu)點(diǎn)，在人們生活中已經(jīng)普遍存在了，在性能與便攜性對抗中，散熱成為最關(guān)鍵的因素，筆記本散熱一直是筆記本核心技術(shù)中的瓶頸。有時筆記本電腦會莫名奇妙的死機(jī)，一般就是系統(tǒng)溫度過高導(dǎo)致。為了解決這個問題，人們設(shè)計(jì)了散熱底座，好的底座可以延長筆記本電腦使用壽命，而且也為筆記本使用者提供了很好的舒適度。半導(dǎo)體與熱管一體化散熱器的設(shè)計(jì)能高效率的散熱，在未來也將會有很好的應(yīng)用。

2 市場分析

2.1 產(chǎn)品分析

CPU是一個電子計(jì)算機(jī)的核心，主要包括運(yùn)算和控制，而且現(xiàn)在CPU的集成度已經(jīng)越來越高，這個核心部件隨著科技研發(fā)的進(jìn)步已經(jīng)成為熱量高溫高度集中的一個核心區(qū)域。所以筆記本電腦散熱主要是CPU方面，目前市面上主要有風(fēng)冷散熱和水冷散熱兩種。風(fēng)冷散熱中，熱源將熱量以熱傳導(dǎo)的方式傳至導(dǎo)熱介質(zhì)，再由導(dǎo)熱介質(zhì)傳至散熱片基部，由基部將熱量傳至散熱片肋片并通過風(fēng)扇與空氣分子進(jìn)行受迫對流，將熱量散發(fā)到空氣中。優(yōu)點(diǎn)是便宜。即使九州風(fēng)神玄冰400，超頻三東海對于水冷也便宜太多了。但缺點(diǎn)是散熱效率遠(yuǎn)低于水冷。水冷散熱的工作原理就是利用水泵把水從儲水器中抽出來，通過水管流進(jìn)水箱，然后再在水箱的另外一個口出來，通過水管流回儲水器，就這樣不斷循環(huán)，把熱量從CPU的表面帶走。散熱效率高，能明顯降低硬件工作時溫度。同時因分擔(dān)機(jī)箱風(fēng)冷散熱，可對機(jī)箱防塵性，進(jìn)一步提升。但造價高，幾百到幾千不等。但真正用水冷的人都知道，諸如酷冷至尊海神120V、九州風(fēng)神水元素等產(chǎn)品，水冷入門及都算不上，他們只能滿足CPU的基本散熱要求。另外水屬于導(dǎo)電體在機(jī)箱內(nèi)部循環(huán)有可能出現(xiàn)漏液導(dǎo)致主板短路、燒毀等問題。這也是水冷散熱器價格一般比較高的原因，高價格的水冷的散熱器在導(dǎo)熱率高的同時，做工非常嚴(yán)謹(jǐn)，基本不會出現(xiàn)漏水的情況，低價的則會有很大風(fēng)險。

2.2 未來發(fā)展

如圖1所示為2014年12月-2015年3月筆記本電腦產(chǎn)品價格關(guān)注度調(diào)查分析，由此可看出中高端筆記本電腦深受歡迎，市場需求也很大，相應(yīng)的，散熱器作為筆記本電腦的一種輔助產(chǎn)品，高效率高品質(zhì)的產(chǎn)品也將會受到人們的追捧，在未來將會有很大市場，而半導(dǎo)體與熱管一體化設(shè)計(jì)理念的提出將會對散熱器的技術(shù)改進(jìn)提供很大的幫助。

3 原理設(shè)計(jì)

散熱器的熱阻是由材料的導(dǎo)熱性和體積內(nèi)的有效面積決定的。實(shí)體鋁或銅散熱器在體積達(dá)到0.006m3時，再加大其體積和面積也不能明顯減小熱阻了。而熱管是一種具有極高導(dǎo)熱性能的傳熱元件，它通過在全封閉真空管內(nèi)工質(zhì)的汽、液相變來傳遞熱量，具有極高的導(dǎo)熱性，高達(dá)純銅導(dǎo)熱能力的上百倍。但散熱器內(nèi)部空間有限且無法實(shí)現(xiàn)真正意義上的對流，熱管散熱器整體性能不高。

半導(dǎo)體制冷片是一個熱傳遞的工具。當(dāng)一塊N型半導(dǎo)體材料和一塊P型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成的熱電偶對中有電流通過時，兩端之間就會產(chǎn)生熱量轉(zhuǎn)移，熱量就會從一端轉(zhuǎn)移到另一端，從而產(chǎn)生溫差形成冷熱端。而兩個極板之間的熱量也會通過空氣和半導(dǎo)體材料自身進(jìn)行逆向熱傳遞。當(dāng)冷熱端達(dá)到一定溫差，這兩種熱傳遞的量相等時，就會達(dá)到一個平衡點(diǎn)，正逆向熱傳遞相互抵消。此時冷熱端的溫度就不會繼續(xù)發(fā)生變化。將冷端與熱管接觸，就能快速的使熱管降溫。而制冷片能快速將溫度降到零度左右，一高一低的高溫差很容易形成凝露，直接用在CPU上會損壞器件。濕度分為絕對濕度和相對濕度。絕對濕度是指每立方米的空氣中含有水蒸氣的質(zhì)量。相對濕度是指水蒸氣在空氣中達(dá)到飽和度的程度時，在溫度相對較低的物體上凝結(jié)的一種現(xiàn)象。凝露是在濕度達(dá)到一定程度時的一種特殊現(xiàn)象。但熱管上的高溫能很大程度上的降低周圍空氣的濕度，且通過熱傳導(dǎo)不會出現(xiàn)零下溫度，輔助風(fēng)扇的對流設(shè)計(jì)也能使半導(dǎo)體制冷片熱端散熱的同時排除空氣，熱管與半導(dǎo)體散熱片的一體化封裝設(shè)計(jì)也有效地解決這個問題。

圖1

結(jié)語

隨著筆記本電腦的熱捧，人們已經(jīng)將日常的很多工作移到了筆記本電腦上，筆記本的性能以及散熱都將會是未來筆記本產(chǎn)品主力考慮點(diǎn)。而高效率高品質(zhì)且實(shí)用性好的散熱器才能滿足人們的需求，特別是像熱愛網(wǎng)絡(luò)游戲等活動的人群，好的散熱器將很大方面的提供筆記本電腦的工作性能。熱管與半導(dǎo)體一體化設(shè)計(jì)在保證是散熱器高效率的工作的同時更嚴(yán)密的考慮了設(shè)備安全等問題，將會對散熱器行業(yè)有很大的促進(jìn)。

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中圖分類號：TK172

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