半導體與熱管一體化散熱器研究

周巧揚 胥杭君 吳江梅 吳寬寬 葉 璐（成都理工大學，信息科學與技術學院，四川 成都 610059）

半導體與熱管一體化散熱器研究

周巧揚 胥杭君 吳江梅 吳寬寬 葉 璐
（成都理工大學，信息科學與技術學院，四川 成都 610059）

摘 要：半導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計，半導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，達到有效降低筆記本電腦溫度的效果。熱管與半導體一體化的設計也能很好的解決單純引用半導體制冷設計的凝霜問題，同時使用風扇輔助排除半導體產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，且不存在內部器件受損的問題。

關鍵詞：半導體散熱；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點，在人們生活中已經普遍存在了，在性能與便攜性對抗中，散熱成為最關鍵的因素，筆記本散熱一直是筆記本核心技術中的瓶頸。有時筆記本電腦會莫名奇妙的死機，一般就是系統溫度過高導致。為了解決這個問題，人們設計了散熱底座，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。半導體與熱管一體化散熱器的設計能高效率的散熱，在未來也將會有很好的應用。

2 市場分析

2.1 產品分析

CPU是一個電子計算機的核心，主要包括運算和控制，而且現在CPU的集成度已經越來越高，這個核心部件隨著科技研發的進步已經成為熱量高溫高度集中的一個核心區域。所以筆記本電腦散熱主要是CPU方面，目前市面上主要有風冷散熱和水冷散熱兩種。風冷散熱中，熱源將熱量以熱傳導的方式傳至導熱介質，再由導熱介質傳至散熱片基部，由基部將熱量傳至散熱片肋片并通過風扇與空氣分子進行受迫對流，將熱量散發到空氣中。優點是便宜。即使九州風神玄冰400，超頻三東海對于水冷也便宜太多了。但缺點是散熱效率遠低于水冷。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，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。同時因分擔機箱風冷散熱，可對機箱防塵性，進一步提升。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、九州風神水元素等產品，水冷入門及都算不上，他們只能滿足CPU的基本散熱要求。另外水屬于導電體在機箱內部循環有可能出現漏液導致主板短路、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熱率高的同時，做工非常嚴謹，基本不會出現漏水的情況，低價的則會有很大風險。

2.2 未來發展

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

3 原理設計

散熱器的熱阻是由材料的導熱性和體積內的有效面積決定的。實體鋁或銅散熱器在體積達到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熱性能的傳熱元件，它通過在全封閉真空管內工質的汽、液相變來傳遞熱量，具有極高的導熱性，高達純銅導熱能力的上百倍。但散熱器內部空間有限且無法實現真正意義上的對流，熱管散熱器整體性能不高。

半導體制冷片是一個熱傳遞的工具。當一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料聯結成的熱電偶對中有電流通過時，兩端之間就會產生熱量轉移，熱量就會從一端轉移到另一端，從而產生溫差形成冷熱端。而兩個極板之間的熱量也會通過空氣和半導體材料自身進行逆向熱傳遞。當冷熱端達到一定溫差，這兩種熱傳遞的量相等時，就會達到一個平衡點，正逆向熱傳遞相互抵消。此時冷熱端的溫度就不會繼續發生變化。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量。相對濕度是指水蒸氣在空氣中達到飽和度的程度時，在溫度相對較低的物體上凝結的一種現象。凝露是在濕度達到一定程度時的一種特殊現象。但熱管上的高溫能很大程度上的降低周圍空氣的濕度，且通過熱傳導不會出現零下溫度，輔助風扇的對流設計也能使半導體制冷片熱端散熱的同時排除空氣，熱管與半導體散熱片的一體化封裝設計也有效地解決這個問題。

圖1

結語

隨著筆記本電腦的熱捧，人們已經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品主力考慮點。而高效率高品質且實用性好的散熱器才能滿足人們的需求，特別是像熱愛網絡游戲等活動的人群，好的散熱器將很大方面的提供筆記本電腦的工作性能。熱管與半導體一體化設計在保證是散熱器高效率的工作的同時更嚴密的考慮了設備安全等問題，將會對散熱器行業有很大的促進。

參考文獻

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