01 散熱器與熱傳遞

散熱器是用來傳導、釋放熱量的一系列裝置的統稱。

多數散熱器會借由發熱部件表面接觸以吸收熱量，再通過熱傳導將熱量傳遞到其他地方，這涉及到散熱器的散熱方式，即散熱器散發熱量的主要方式。在熱力學中，散熱就是熱量傳遞，熱量主要有熱傳導、熱對流和熱輻射三種傳遞方式。

熱傳導，指物質本身或當物質與物質接觸時發生的能量傳遞，這也是最為常見的熱傳遞方式。比如我們日常生活中，筆記本電腦的CPU會安裝CPU散熱片，散熱片底座會與CPU直接接觸并帶走CPU運行時產生的熱量，這就屬于熱傳導。

熱對流，指通過流體(氣體或液體)將熱量帶走的熱傳遞方式。電腦機箱內的散熱系統會安裝散熱風扇，通過風扇帶動氣體流動的"強制熱對流"進行散熱，這也屬于主動式散熱。

熱輻射，指依靠射線輻射傳遞熱量，太陽輻射就屬于熱輻射。

以上三種散熱方式在日常的熱量傳遞中大多數時刻同時發生，共同起作用。

目前散熱器主要有采暖散熱器以及計算機散熱器兩大類型，其中采暖散熱器的具體分類可以按照材質和工作模式進行劃分，計算機散熱器一般按照用途和安裝方法進行分類。日常生活中，一般居民對于散熱器的直接接觸主要集中在冬季用散熱器進行采暖以及電腦、手機散熱等應用領域。

為保證手機電腦等消費電子的CPU等電子原器件的導熱及散熱，進而保證電子儀器、儀表等的電氣性能的穩定，在CPU與散熱片之間的空隙間通常會填充導熱硅脂。其作用是向散熱片傳導CPU散發出來的熱量，使CPU溫度保持在一個可以穩定工作的水平，防止CPU因為散熱不良而損毀，延長使用壽命。

作為一種化學物質，考慮硅脂的應用場合，我們可以從導熱硅脂的性能參數推斷散熱器性能好壞，該性能參數包括工作溫度、熱傳導系數、熱阻系數、介電常數、黏度等。

02 散熱器熱阻

散熱器熱阻，是散熱器在熱平衡下散出半導體器件管芯熱量能力的量度。熱阻值定義為，散熱器上一規定點溫度對周圍冷卻介質一規定點溫度差與流經這兩點熱流（功率）的比值，單位為c/w。

散熱器的熱阻是用來評估特定應用中散熱器性能的最常用方法。根據以下公式可知，通過將散熱片的熱阻Rth乘以被冷卻裝置的耗散功率Q，再加上環境溫度Tamb，可以確定裝置的外殼溫度Tc 。

熱阻測試中熱源加熱電流的提供方法根據被測產品實際應用需求有模擬法、直流法、半波動態法等。

散熱器的性能不僅取決于表面積，還取決于散熱器的所有相關尺寸，其中最關鍵的是散熱翅片之間的間距。散熱片之間的間距對散熱片表面的散熱速度有很大影響，這通常被稱為傳熱系數h。表面積A和散熱率h，決定了散熱器的表面溫度Ts。

如上圖所示，式中Q是散熱器的總散熱量，隨著翅片之間的間距在某一點減小，傳熱會由于熱邊界層厚度的增加而降低。

03 散熱器與半導體

我們可接觸的CPU散熱器除了常見的風冷、水冷散熱外，還有半導體散熱器。半導體散熱器的基本原理是通過半導體將熱量傳輸到熱端（鰭片），通過風扇來帶走鰭片熱量，所以本質上還是通過風扇和鰭片來完成散熱，但是熱量通過半導體傳輸，因此半導體散熱器的絕大部分功耗都被用于半導體導熱材料的運作上。

半導體，指常溫下導電性能介于導體(conductor)與絕緣體(insulator)之間的材料。常見的半導體材料包括硅、鍺、砷化鎵、磷化銦等。硅是各種半導體中，在商業應用上最為成功也是最為廣泛的的半導體材料。

半導體晶體在被摻入特定的雜質元素后就會具有可控制的導電性能，這使得半導體成為制造電子芯片的最佳材料。

完整的芯片制造流程包括芯片設計—晶圓代工—封裝測試，因為消費電子、新能源汽車、智能家居家電、通信基站等多領域對于芯片的需求，芯片在近年形成需求高景氣但前端晶圓代工以及后端封測的半導體產能全線吃緊的情況。全球范圍內芯片供應的缺乏使得芯片制造材料也水漲船高，第三代半導體正在成為市場焦點。

第三代半導體具備高頻、高效、高功率、耐高溫高壓等特點，契合節能減排、智能制造等國家重大戰略需求。隨著新能源汽車、5G基站等行業的興起，以SiC（碳化硅）、GaN（氮化鎵）的第三代半導體材料成為了半導體產業新的競爭焦點以及發展趨勢。

全球疫情以及材料存量不足的情況下，芯片短缺的現狀預計在短時間內不會得到解決。國內各大廠商正在研制替代芯片，第三代半導體的雖然得到迅速發展，但是材料開發不成熟，新一代半導體芯片的制作以及工藝成熟預計將需要很長一段時間。

在尋找替代品以及芯片消費降級的時刻，對于消費電子、新能源汽車等芯片需求大、性能要求高的領域，其散熱問題將會成為下一個急需解決的難題。

散熱效能的檢測是散熱器產品研發、制造、品質管理等環節中不可或缺的重要過程。

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