半导体与热管一体化散热器研究

周巧扬 胥杭君 吴江梅 吴宽宽 叶 璐（成都理工大学，信息科学与技术学院，四川 成都 610059）

半导体与热管一体化散热器研究

周巧扬 胥杭君 吴江梅 吴宽宽 叶 璐
（成都理工大学，信息科学与技术学院，四川 成都 610059）

摘 要：半导体与热管一体化散热器主要为解决目前市面上普通热管工作效率低的问题设计，半导体的制冷效果有效地降低了周围空气的温度，增大与热管的温度差，使热管能快速散热，达到有效降低笔记本电脑温度的效果。热管与半导体一体化的设计也能很好的解决单纯引用半导体制冷设计的凝霜问题，同时使用风扇辅助排除半导体产热面和热管周围的热空气以及湿度较大的空气，使笔记本电脑能快速高效的散热，且不存在内部器件受损的问题。

关键词：半导体散热；热管散热； 一体化散热器

1 引言

如今笔记本电脑以其方便携带等诸多优点，在人们生活中已经普遍存在了，在性能与便携性对抗中，散热成为最关键的因素，笔记本散热一直是笔记本核心技术中的瓶颈。有时笔记本电脑会莫名奇妙的死机，一般就是系统温度过高导致。为了解决这个问题，人们设计了散热底座，好的底座可以延长笔记本电脑使用寿命，而且也为笔记本使用者提供了很好的舒适度。半导体与热管一体化散热器的设计能高效率的散热，在未来也将会有很好的应用。

2 市场分析

2.1 产品分析

CPU是一个电子计算机的核心，主要包括运算和控制，而且现在CPU的集成度已经越来越高，这个核心部件随着科技研发的进步已经成为热量高温高度集中的一个核心区域。所以笔记本电脑散热主要是CPU方面，目前市面上主要有风冷散热和水冷散热两种。风冷散热中，热源将热量以热传导的方式传至导热介质，再由导热介质传至散热片基部，由基部将热量传至散热片肋片并通过风扇与空气分子进行受迫对流，将热量散发到空气中。优点是便宜。即使九州风神玄冰400，超频三东海对于水冷也便宜太多了。但缺点是散热效率远低于水冷。水冷散热的工作原理就是利用水泵把水从储水器中抽出来，通过水管流进水箱，然后再在水箱的另外一个口出来，通过水管流回储水器，就这样不断循环，把热量从CPU的表面带走。散热效率高，能明显降低硬件工作时温度。同时因分担机箱风冷散热，可对机箱防尘性，进一步提升。但造价高，几百到几千不等。但真正用水冷的人都知道，诸如酷冷至尊海神120V、九州风神水元素等产品，水冷入门及都算不上，他们只能满足CPU的基本散热要求。另外水属于导电体在机箱内部循环有可能出现漏液导致主板短路、烧毁等问题。这也是水冷散热器价格一般比较高的原因，高价格的水冷的散热器在导热率高的同时，做工非常严谨，基本不会出现漏水的情况，低价的则会有很大风险。

2.2 未来发展

如图1所示为2014年12月-2015年3月笔记本电脑产品价格关注度调查分析，由此可看出中高端笔记本电脑深受欢迎，市场需求也很大，相应的，散热器作为笔记本电脑的一种辅助产品，高效率高品质的产品也将会受到人们的追捧，在未来将会有很大市场，而半导体与热管一体化设计理念的提出将会对散热器的技术改进提供很大的帮助。

3 原理设计

散热器的热阻是由材料的导热性和体积内的有效面积决定的。实体铝或铜散热器在体积达到0.006m3时，再加大其体积和面积也不能明显减小热阻了。而热管是一种具有极高导热性能的传热元件，它通过在全封闭真空管内工质的汽、液相变来传递热量，具有极高的导热性，高达纯铜导热能力的上百倍。但散热器内部空间有限且无法实现真正意义上的对流，热管散热器整体性能不高。

半导体制冷片是一个热传递的工具。当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成的热电偶对中有电流通过时，两端之间就会产生热量转移，热量就会从一端转移到另一端，从而产生温差形成冷热端。而两个极板之间的热量也会通过空气和半导体材料自身进行逆向热传递。当冷热端达到一定温差，这两种热传递的量相等时，就会达到一个平衡点，正逆向热传递相互抵消。此时冷热端的温度就不会继续发生变化。将冷端与热管接触，就能快速的使热管降温。而制冷片能快速将温度降到零度左右，一高一低的高温差很容易形成凝露，直接用在CPU上会损坏器件。湿度分为绝对湿度和相对湿度。绝对湿度是指每立方米的空气中含有水蒸气的质量。相对湿度是指水蒸气在空气中达到饱和度的程度时，在温度相对较低的物体上凝结的一种现象。凝露是在湿度达到一定程度时的一种特殊现象。但热管上的高温能很大程度上的降低周围空气的湿度，且通过热传导不会出现零下温度，辅助风扇的对流设计也能使半导体制冷片热端散热的同时排除空气，热管与半导体散热片的一体化封装设计也有效地解决这个问题。

图1

结语

随着笔记本电脑的热捧，人们已经将日常的很多工作移到了笔记本电脑上，笔记本的性能以及散热都将会是未来笔记本产品主力考虑点。而高效率高品质且实用性好的散热器才能满足人们的需求，特别是像热爱网络游戏等活动的人群，好的散热器将很大方面的提供笔记本电脑的工作性能。热管与半导体一体化设计在保证是散热器高效率的工作的同时更严密的考虑了设备安全等问题，将会对散热器行业有很大的促进。

参考文献

[1]庄俊.热管技术及其应用[M].北京：化学工业出版社，2003.

[2]黄庆，施明恒.热管用于笔记本电脑智能温控散热的分析[J].能源研究与利用，2005（01）：34-36.

[3]Kwang-SooKim，Myong-HeeWonetc. HeatpipecoolingtechnologyfordesktopPCCP U[J].Appliedthemalengineering，2003（23）：1137-1144.

[4]毛炳秋，李云霞，张俊，唐友亮.中文版UGNX8.0基础教程[M].北京：电子工业出版社，2012.

[5]许建国.电机与控制[M].武汉测绘科技大学出版社，1998.

[6]朱炜青，钱国柱，等译.G沃克编.热气机[M].北京：机械工业出版社，1980.

[7]德胜.半导体制冷与应用技术[M].上海：交通大学出版社，1991.

中图分类号：TK172

文献标识码：A