“你功耗高，你發熱大”本是一句硬件玩家圈子裡針對某個品牌CPU的黑話，沒想到今天竟然真的風水輪流轉成了另一個品牌的黑料。在電子數碼領域高功耗高發熱似乎是一個輪回。

随着智能設備的蓬勃發展，對性能的要求越發嚴苛，讓非常多普通人也體會到了功耗和發熱的蓬勃發展。

其實這也是半導體發展的一個規律，每當半導體芯片的工藝制程成為瓶頸，想要提高性能最簡的方法就是提高頻率，而提高頻率也伴随着功耗的增加。

另一方面，即便工藝制程有了突破，芯片的發熱和功耗得到了緩解，但另一方面，更小的芯片面積也讓即便不大的發熱更難導出，造成了所謂的積熱問題。

芯片制程工藝發展

總之，發熱和散熱是半導體時代永不過時的熱門話題，甚至可能是一場我們身邊最精彩的技術大戰，我們每一個人都可能是這場大戰的親曆者。

首先，我們需要明确一個前提，半導體芯片的發熱是目前無法徹底解決的問題，我們也不去探讨如何降低功耗和發熱，隻從半導體散熱的角度談一談人類為散熱科技都做了哪些努力。

首先打開物理課本，看一看傳熱的三種方式：熱傳導、熱對流、熱輻射，我們一種一種來看。

熱傳導是通過材料微粒的微觀碰撞和電子的移動來傳遞内部能量，我們日常接觸得比較多的是固體材料的熱傳導，比如金屬材質的鐵鍋要比砂鍋導熱更快，才能實現爆炒。

生活中很多常見的操作都包含傳熱的三種方式

熱對流則與流體相關，最簡單的例子是用鍋燒水，燃氣爐産生的熱量通過熱傳導給水加熱，鍋底的水受熱密度變小，向上流動置換掉頂部較冷密度較大的水，如此循環往複就形成了對流，讓鍋裡的水溫度趨于均勻，當然這種自然對流需要重力環境。

最後是熱輻射，所有溫度高于絕對零度的物體都會發出電磁波，是熱能到電磁能的轉換，白熾燈、取暖用的小太陽這些都是熱輻射的典型例子。

小太陽取暖器是熱輻射的典型案例

傳熱的三種形式中，熱傳導和熱對流是人類散熱科技發展中重點關注的對象，而熱輻射雖然無處不在，但在電子元器件散熱領域研究得的确較少。

我們以某品牌沿用了9年的原裝CPU散熱器為經典案例，其包含一個鋁制翅片和一個風扇，在翅片主體與CPU頂蓋接觸的部分塗有導熱矽脂。

在它工作時，熱量從CPU經導熱矽脂傳導至鋁制翅片，翅片與空氣接觸，進而形成對流加速散熱，風扇的加入則強制空氣對流提高散熱效率。

整個過程中，熱量的流動主要通過熱傳導和熱對流，當然還有無處不在的熱輻射，但體量較小在此就忽略不讨論，熱量從CPU芯片産生最終散失到空氣當中。

經典流傳的原裝散熱器

在這個經典的CPU散熱系統中，有三個環節可以加強。第一是CPU與金屬翅片的接觸，通常使用導熱矽脂，這是一種具有一定流動性，良好導熱性以及良好絕緣性的材料。

矽脂可以填補CPU頂蓋與散熱器表面微觀的不平整，增大實際接觸面積。不同的矽脂配方也有不同的性能，一般用導熱系數來衡量，體現的是材料本身導熱的能力。

導熱矽脂具有一定的流動性，良好的導熱性和絕緣性

為了追求極緻，甚至有玩家直接使用導熱系數十倍于矽脂的“液态金屬”充當導熱劑（常見矽脂的導熱系數在10W/mK以下，液态金屬可以達到70W/mK以上），放棄了更安全的矽脂。

液金導熱劑昂貴且不安全

然而在實際應用中，導熱劑的導熱系數并不能真實地反映出熱傳導的效率，同一種導熱劑在不同的幾何尺寸下導熱的效率也可以天差地别。

因此需要引出一個新的物理量——熱阻，當熱量在物體内部以熱傳導的方式傳遞時，遇到的阻力稱為導熱熱阻。

對于熱流經過的截面積不變的平闆，導熱熱阻為L/(k*A）。其中L為平闆的厚度，A為平闆垂直于熱流方向的截面積，k為平闆材料的熱導率。

可以發現，熱阻與導熱劑的厚度、面積和導熱率相關，與前者成正比，與後兩者成反比。具體到CPU散熱的系統中，提高導熱效率的方法除了更換導熱系數更高的矽脂外，還可以把矽脂壓得更薄，或者對填充界面進行抛光，增大實際的導熱面積。

導熱矽脂塗得越多越厚導熱效果可能越差

第二個可加強的環節是散熱器導熱的金屬，一般較為廉價的散熱器會采用鋁制，一方面鋁的金屬加工非常成熟，另一方面鋁的導熱系數達到237 W/mK，是鐵的3倍左右。

高端一點的散熱器可能會在中心增加銅柱，或者直接使用純銅的翅片，不過需要考慮到散熱器整體的重量，安裝後可能會對強度不高主闆帶來毀滅性打擊。

銅基本就是金屬翅片的頂配了，其導熱系數高達401 W/mK，當然還可以用導熱系數429 W/mK的銀，但從成本和提升來看是不太實際的。

然而，為了突破金屬材料的導熱極限，人類開發出了堪稱外挂級的散熱核心科技——熱管，它将散熱器的導熱系數提升到了“突破天際”的100000 W/mK（無限長度理想狀況下，實際工況下也可以達到10000 W/mK）。

熱管原理示意圖

熱管是如何突破金屬材料導熱上限的？這裡用到了一個很常見的物理現象，液體的相變，即液體蒸發吸熱，凝結放熱的現象。

一個典型的熱管可以分為蒸發段和冷凝段，在蒸發段熱管内的液體介質受熱蒸發，蒸汽帶走熱量流向冷凝段，在冷凝段凝結成液體并釋放熱量，最終液體通過重力、離心力或毛細作用返回到蒸發段，完成循環。

熱管橫截面結構

常見的熱管為銅制，外表面可能采用鍍鎳工藝，熱管内壁由毛細多孔材料構成，填充的工作液體通常就是水或酒精，常常會被人訛傳為“液冷”或“水冷”，由于移動設備芯片功耗漸漲，這種把熱管當水冷的惡心營銷也屢見不鮮。

或許你會有疑問，水不是要燒到100℃才會相變蒸發嗎？現實中總不可能要芯片溫度到100℃熱管才開始工作吧？實際上熱管内部一般會抽負壓，低壓狀态下水的沸點會變低，随着溫度升高，熱管内的蒸汽壓力變大，沸點又會升高，因此以水為工作液體的熱管可以在30~250℃的範圍内工作。

熱管内部的金屬粉末燒結吸液芯

在一些工作溫度極低的環境中也可以用液氮、液氦等，相反工作溫度極高的環境中可以用液态的鉀、鈉、锂、銀等。

比如我國的青藏鐵路，為了防止凍土融化，維護鐵路路基的穩定性，凍土段鐵軌兩旁插了“鐵棒”，這其實就是一種工作溫度較低的熱管，内部填充的工作介質是氨，全稱為氨-碳鋼熱虹吸管。

青藏鐵路軌道兩旁的熱管

至于前面提到的水冷或液冷，又是另一個新的發明，其原理是通過流動的液體介質（通常也是水）将熱量傳導至熱交換器，最終通過熱交換器把熱量散到空氣中。

從熱量流動的起點和終點來看，水冷其實與常見的金屬翅片散熱器差别不大，但水冷的熱對流效率更高，具體取決于水泵的功率和流速，加上水的熱容量大，可以讓水冷系統有更平穩的溫度表現。

另外，水冷系統通過管路相連，熱交換器的安裝更為靈活，尺寸設計得更大，要比所謂的風冷系統性能更強一些。

360mm規格一體水冷巨大的熱交換器和豪華的風扇配置

不論過程如何，這些散熱器最終都要将熱量通過熱對流的方式散發到空氣中，系統符合所謂的木桶效應，即最薄弱的環節決定了整體的上限。

在熱管塔式散熱器和水冷散熱器中，最薄弱的環節其實是第三個環節，即空氣的熱對流，而提高這一環節最簡單的方法就是增大散熱翅片規模，加大風扇的功率。

所以對于CPU散熱器而言，頂級的産品往往少不了暴力的風扇，優秀的風扇不僅可以讓散熱器的上限更好，也可以在同性能下實現更小的噪音。

工業級暴力風扇效果好，但噪音極大

以上就是關于典型散熱系統中三個環節的強化，可以說是非常簡化且不嚴謹的小科普，隻希望能夠幫助大家理解過程。

最後，還要說一下另一個被包裝成“散熱黑科技”的手機冰封背夾風扇，有的号稱10秒結霜。實際上這是一種利用珀爾帖效應來制冷的技術，在不同導體的接頭處随着電流方向的不同會分别出現吸熱、放熱現象。

簡單來說就是制冷片的一面制冷，相反的一面發熱，同時過程中還要額外産生一定的焦耳熱，總之發熱量大于制冷量。一個小小的手機冰封背夾風扇，功率甚至接近10w，相當于手機芯片的最大功率，其實效率并不高。

某品牌手機冰封背夾散熱器的宣傳

在移動設備上或許不痛不癢，但當愛好者把這種制冷片用于台式機CPU散熱時就會發現，除了低負載下的溫度極低外，并不比普通的散熱系統高效，要達到理想的效果，制冷功率甚至超過了芯片的熱功耗，還容易産生冷凝水損害電子元器件，實在有些費力不讨好。

相信每個人都希望用上性能優秀、功耗低、發熱小的電子數碼設備，但受限于物理規律，它們可能構成了一個不可能三角。

但散熱技術是可能有突破的，新的材料、新的發明，意味着新的希望。再不濟，也可以期待一下電腦熱水器一體機的出現吧

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