现代电子器件的冷却知识讲解

一、笔记本电脑CPU的冷却
• 随着笔记本电脑性能的提高，其所采 用的部件运行频率越来越高，相应所产生 的热量也越来越大，使得系统稳定性大受 影响。现在竞争的战火已经燃烧到了笔记 本电脑相关的各个领域，厂商们为了在竞 争中胜出，都提高了笔记本电脑的技术含 量，尤其是在散热方面的技术，真所谓 “八仙过海，各显神通”。下面，我们就 来看看笔记本电脑CPU的散热技术。
这些损耗使芯片产生内部功率损耗即内损耗。内 损耗引起芯片温度升高，而芯片温度高低除与器件内 损耗大小有关外还与芯片到外界环境的传热结构、材 料和器件冷却方式以及环境温度等有关。器件的芯片 温度无论在稳态还是在瞬态都不允许超过器件的最高 允许结温，否则，将会引起器件电的或热的不稳定而 导致器件失效。因此设法减小器件的内部损耗、改善 传热条件，对保证器件长期可靠运行有极其重要的作 用。
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晶体管的制工艺也是造成CPU发热的原因。
CPU内部核心由硅晶体管组成，硅晶体管的栅极
氧化物绝缘层制作得越薄，晶体管开关状态转换
速度越快的能耗，已经成为目前CPU 能耗的最大来源之一。
• 英特尔公司公司研制一种称为“高K栅极绝缘 体”的材料，这种新型晶体管的栅极电流泄漏会
• 笔记本电脑CPU的冷却已有相当一部分采 用微型热管解决，一般微型热管的直径为3 mm 左右，它与现有的风扇加热沉结构相比有明显 的优点。针对电子冷却的特定要求，现已开发 了重力辅助热管、柔性回路热管、平板型电子 冷却热管和微型空气对空气换热管等多种微型 管。直接埋入芯片硅衬底中的微型热管已经开 发，可代替在集成电路中起导热作用的金刚石 膜。
• 微热管是随着微电子技术的发展而发展起 来的一门新兴技术。随着电子元件集成密度的 增加，其产生热量的散逸变得困难。电子元件 除了对最高温度有要求外，对温度的均匀性也 提出了要求。作为一项很有发展前景的技术， 微型热管正是应用于电子元件中，以提高热量 的导出率和温度的均匀化。由于其尺寸小，可 减小流动系统中的无效体积，降低能耗和试剂 用量，而且响应快，因此有着广阔的应用前景。 例如，流体的微量配给、药物的微量注射、微 集成电路的冷却及微小卫星的推进等。
现代电子器件的冷却
主要内容
一、笔记本cpu的冷却
二、电力电子器件的冷却 三、电子元件的散热设计
电子器件的定义与分类
• 电子器件指在工厂生产加工时改变了分子 结构的成品。例如晶体管、电子管、集成 电路等。因为它本身能产生电子，对电压、 电流有控制变换作用（如放大、开关、整 流、检波、振荡和调制等），所以又称有 源器件。可归纳为真空电子器件和半导体 器件。
例如，对于高可靠性商业设备，硅功率二极管最高工作结 温在135~150℃。对于军用设备在125~135℃，而对宇航 及超高可靠性设备在105℃。
电力电子器件工作于开关状态，效率很高。但电 力电子器件并非理想器件。导通时，器件上有电压降； 阻断时，器件流过一定的漏电流，因此有通态损耗和 断态损耗。另外器件从阻断状态到导通状态，或者从 导通状态到阻断状态的过程都并非瞬时完成。因此有 导通损耗和关断损耗。
CPU散热帮手—散热板
• 这是一种基本的散热方法。一般 来说，散热板面积越大，传导效 率越高，就越能有效散发热量。 比较常见的情况是在主机板的底 部和上部各配一块金属散热板； 在CPU的位置，有协助散热的 系统，以释放CPU产生的热量。 另外，和散热板结合使用的一种 十分普遍的技术，是在键盘的下 方放一块尺寸与和键盘基本相同 的薄散热铝板，在铝板上附有一 根高导热率的铜导管，它可以将 笔记本电脑内部主要发热区域的 热量均匀散布到整个铝板上，并 通过散热孔将热量散布到电脑外。
电力电子装置正向着功能越来越完善而体积越来
越小的方向发展，在电力电子装置内部产生的高热流密 度对装置的可靠性造成极大威胁。对电力电子装置失效 原因的统计表明，由于高温导致的失效在所有电子设备 失效中所占的比例大于50％，传热问题甚至成为电力电 子装置向小型化方向发展的瓶颈。因此电子器件的热可 靠性设计在电子器件发展中具有举足轻重的作用。
电子器件的核心是PN结，而PN结的性能与温度密切 相关。为了保证器件正常工作，必须规定最高允许结温。 所谓最高允许结温是指器件能正常工作的PN结最高温度。 而通常结温是指芯片的平均温度。
实际上功率器件芯片较大，温度分布不均匀。当器
件因过载、浪涌以及结构方面的问题而造成芯片瞬时过热 时，某个局部可能形成比最高允许结温高得多的热点，严 重时会导致局部热击穿。考虑到上述因素，在可靠性要求 不同的设备中，器件的最高允许结温也不同，这就要“结 温减额”使用。可靠性要求越高，最高允许工作结温就越 低。
大幅减少，且从原极到漏极的电流泄漏也很低。 由于这种晶体管泄漏电流的减少，CPU能耗就可 以大幅度降低，相应的CPU发热量也就大大减少， CPU芯片中晶体管的运行速度也将大幅度提高。
二、电力电子器件的冷却
电力电子器件（Power Electronic Device）又称为功率半 导体器件，用于电能变换和电能控制电路中的大功率(通常指 电流为数十至数千安，电压为数百伏以上)电子器件。又称功 率电子器件。20世纪50年代，电力电子器件主要是汞弧闸流 管和大功率电子管。60年代发展起来的晶闸管，因其工作可 靠、寿命长、体积小、开关速度快，而在电力电子电路中得 到广泛应用。70年代初期，已逐步取代了汞弧闸流管。80年 代，普通晶闸管的开关电流已达数千安，能承受的正、反向 工作电压达数千伏。在此基础上，为适应电力电子技术发展 的需要，又开发出双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管等 一系列派生器件，以及双极型功率晶体管、静电感应晶闸管、 功能组合模块和功率集成电路等新型电力电子器件。
造成CPU发热的原因
• CPU工作频率的提高是造成发热的原 因之一。任何电子元件在工作过程中，都 会有电能转换成为热能的情况发生。CPU 是一个电子元件，它消耗的电能最后都会 转换成为热能的形式。CPU消耗的电能等 于CPU散发出来的热能。也就是说，CPU 频率越高，消耗功率越高，发热量也越大。
• CPU内部高速运行的电子在线路中造 成摩擦，产生大量的热能。CPU工作频率 越高，这种摩擦也就越大，产生的热量也 就越多。