芯片是這樣散熱的
2020-07-16 18:59:35
供稿：網友
早期的電腦，使用散熱器的電腦部件并不多。隨著電腦功能的日益增強以及電腦玩家越來越普遍的超頻之風，現代電腦對各重要部件的散熱要求越來越高。
電腦散熱的方式很多，目前主要分為風冷、半導體致冷以及比較前衛的水冷等等。
目前廣泛使用的風冷，其實就是將一塊導熱性較好的散熱片緊緊貼住發熱量較大的芯片，在散熱片的上方再固定一個小型的風扇。這樣，通過風扇高速旋轉產生的氣流將散熱片上的熱量帶走。朋友們在選擇風冷時須注意:以散熱片來說，撇開材質的問題不談，相信還是會有許多人認為“體積”越大的散熱片，所能發揮的散熱效果就越好。其實散熱片的好壞，與其“體積”并沒有絕對的關系，反倒是“表面積”的大小與散熱有直接的關系。換句話說，也就是散熱片的表面積越大，溝槽越多，其散熱的效果就越好。散熱片上的風扇也應注意，一個風扇的好壞取決于該風扇是否能夠產生較大的氣流流動，借以將熱量帶離散熱片，而風扇所能產生的氣流量，與風扇的轉速、葉片的數目和大小以及葉片切角的角度都有關系。轉速自然是越高越好，而葉片的數目自然也是越多越好。
介紹完風冷現在我們該談談半導體致冷了。半導體致冷的概念其實并不新鮮，前幾年就有人試用了，它以致冷快，效果好而著稱。但是其缺點也很突出:易結露，滲水，價格太高等等問題令人難以接受。隨著科技的進步，半導體致冷的缺點也改進不少，相信在不久的將來半導體致冷器能廣為用戶接受。半導體致冷器的工作原理如下:碲化鉍(Bismuth Telluride)加入不純物后，經過處理而成N型或P型半導體，這些N型和P型的半導體顆?；ハ嗯帕泻螅虚g以一般的銅、鋁等導體相連接，成為一個完整的線路。當致冷器通電之后，電子在經過P型半導體時，因為該半導體的物理特性而吸收了熱量，而到了N型半導體時又將熱量放出。每經過一個NP通道時，就會有放熱與吸熱兩種情況產生，使致冷器兩面形成溫差較大的冷熱端。此時，就以低溫的那一面來接觸處理器的發熱面，而發熱的那一面則必須用風扇將熱量排出。至于水冷方式，由于過于復雜，危險性較高，在這里就不細說。
電腦需要加裝散熱器的部件可謂越來越多，除了速度飛速狂飆的CPU外，主板北橋芯片組、顯卡，甚至硬盤等電腦部件都可安裝。其實，對發熱量較大的電腦部件進行外部散熱只是一個方面，電腦芯片的內部散熱更為重要，也更不為廣大讀者所知。因此，在這里我們重點談談芯片內部的散熱方式。
隨著3D游戲的日益發展，為了獲取更高速的運算速度，以完成大量材質貼圖的工作，以Nvidia為首的圖形芯片生產商不斷地推出新品，顯卡也漸漸變得與處理器一樣，不僅運算速度不斷提高，相對帶來的溫度也直線上升。
為了解決圖形芯片的溫度越來越高，而散熱空間卻嚴重不足的窘境，目前出廠的高端3D顯卡除了都裝上了散熱器外，其內部的散熱技術也有重大的改進，采用了一種全新的散熱方式――內嵌式散熱片。何為內嵌式散熱片？一般來說，我們目前所使用的芯片都是將芯片的基層電路板以及晶圓，直接封裝在矽之中制成。但從GeForce系列芯片的外觀來看，在該芯片的中央有一圈圓形的部分，該部分乍看起來有點像是以圓形的貼紙貼上去一般，而該芯片的品牌以及型號都打印在上面(見圖4)。不過再仔細觀察，卻又發覺中間圓形的部分與旁邊的矽質部分，在高度上是完全一致的，不像其它芯片在其上貼上了貼紙后，因為貼紙厚度的關系，會使芯片的平面有些許的突出。其實，該芯片中央圓形的部分，是當初在設計該芯片時，用來作為散熱之用的“散熱片”。是的！沒錯，真的是散熱片，且是內嵌在圖形芯片中的散熱片，各位不用懷疑。從圖5、6中我們可以清楚地見到該芯片的剖面圖。在圖6中最下面的那一部分，是芯片的電路基板，方便將各個信號接腳以及電源接腳接出。而圖中核心的部分則是晶圓。至于Heat Slug是內嵌散熱片的部分，而Mold CPD，自然就是我們常見的封裝晶圓的矽了。在晶圓與內嵌散熱片中間的部分，是與散熱硅膠有相同作用的膠質物質，它使晶圓與內嵌散熱片之間增加了熱傳導的面積。因為該物質與晶圓和內嵌的散熱片相互緊貼，使得該芯片能夠以熱傳導的方式，迅速地將晶圓所產生的熱量導出到散熱片。這樣可使該芯片速度更快、更穩定、更適合超頻，這也是GeForce系列顯卡能傲視群雄的一個主要原因。既然內嵌式散熱片有這么大的作用，它是怎么做出來的呢？
一顆芯片的生產過程，大致上是先將線路已經設計好的“電路基板”固定，然后將已經蝕刻過的“晶圓”固定在電路基板上，完成所有的測試，以確定晶圓可否利用已設計好的電路基板工作，當所有的測試都已通過以后，才開始進行封裝的工序。進行封裝的材料一般都為矽或是鍺，但是目前我們所見到的大多為矽，而以鍺為材料進行封裝的芯片，大多使用于較為惡劣的工作環境下的各類設備中。
內嵌散熱片的芯片，與目前一般所使用的芯片在封裝上的最大差異，在于進行封裝之前，必須在晶圓上再加上一個具備較佳散熱性并且不導電的散熱片。同時必須使晶圓與散熱片之間有傳熱的膠質物質，緊貼著散熱片以及晶圓，借以增加熱傳導的面積，不過兩者之間的膠質物質要做到緊緊密合，卻不是一件容易的事情。
