01 散熱器與熱傳遞
散熱器是用來傳導(dǎo)、釋放熱量的一系列裝置的統(tǒng)稱。
多數(shù)散熱器會借由發(fā)熱部件表面接觸以吸收熱量，再通過熱傳導(dǎo)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(fā)熱量的主要方式。在熱力學(xué)中，散熱就是熱量傳遞，熱量主要有熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射三種傳遞方式。
熱傳導(dǎo)，指物質(zhì)本身或當(dāng)物質(zhì)與物質(zhì)接觸時發(fā)生的能量傳遞，這也是最為常見的熱傳遞方式。比如我們?nèi)粘Ｉ钪校P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(yùn)行時產(chǎn)生的熱量，這就屬于熱傳導(dǎo)。
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(jī)箱內(nèi)的散熱系統(tǒng)會安裝散熱風(fēng)扇，通過風(fēng)扇帶動氣體流動的"強(qiáng)制熱對流"進(jìn)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(shù)時刻同時發(fā)生，共同起作用。
目前散熱器主要有采暖散熱器以及計算機(jī)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(zhì)和工作模式進(jìn)行劃分，計算機(jī)散熱器一般按照用途和安裝方法進(jìn)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(jìn)行采暖以及電腦、手機(jī)散熱等應(yīng)用領(lǐng)域。
為保證手機(jī)電腦等消費(fèi)電子的CPU等電子原器件的導(dǎo)熱及散熱，進(jìn)而保證電子儀器、儀表等的電氣性能的穩(wěn)定，在CPU與散熱片之間的空隙間通常會填充導(dǎo)熱硅脂。其作用是向散熱片傳導(dǎo)CPU散發(fā)出來的熱量，使CPU溫度保持在一個可以穩(wěn)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(xué)物質(zhì)，考慮硅脂的應(yīng)用場合，我們可以從導(dǎo)熱硅脂的性能參數(shù)推斷散熱器性能好壞，該性能參數(shù)包括工作溫度、熱傳導(dǎo)系數(shù)、熱阻系數(shù)、介電常數(shù)、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(dǎo)體器件管芯熱量能力的量度。熱阻值定義為，散熱器上一規(guī)定點溫度對周圍冷卻介質(zhì)一規(guī)定點溫度差與流經(jīng)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(yīng)用中散熱器性能的最常用方法。根據(jù)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(huán)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(jù)被測產(chǎn)品實際應(yīng)用需求有模擬法、直流法、半波動態(tài)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(guān)尺寸，其中最關(guān)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(shù)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(dǎo)體
我們可接觸的CPU散熱器除了常見的風(fēng)冷、水冷散熱外，還有半導(dǎo)體散熱器。半導(dǎo)體散熱器的基本原理是通過半導(dǎo)體將熱量傳輸?shù)綗岫耍捚?，通過風(fēng)扇來帶走鰭片熱量，所以本質(zhì)上還是通過風(fēng)扇和鰭片來完成散熱，但是熱量通過半導(dǎo)體傳輸，因此半導(dǎo)體散熱器的絕大部分功耗都被用于半導(dǎo)體導(dǎo)熱材料的運(yùn)作上。
半導(dǎo)體，指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體(conductor)與絕緣體(insulator)之間的材料。常見的半導(dǎo)體材料包括硅、鍺、砷化鎵、磷化銦等。硅是各種半導(dǎo)體中，在商業(yè)應(yīng)用上最為成功也是最為廣泛的的半導(dǎo)體材料。
半導(dǎo)體晶體在被摻入特定的雜質(zhì)元素后就會具有可控制的導(dǎo)電性能，這使得半導(dǎo)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(shè)計—晶圓代工—封裝測試，因為消費(fèi)電子、新能源汽車、智能家居家電、通信基站等多領(lǐng)域?qū)τ谛酒男枨?，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(dǎo)體產(chǎn)能全線吃緊的情況。全球范圍內(nèi)芯片供應(yīng)的缺乏使得芯片制造材料也水漲船高，第三代半導(dǎo)體正在成為市場焦點。
第三代半導(dǎo)體具備高頻、高效、高功率、耐高溫高壓等特點，契合節(jié)能減排、智能制造等國家重大戰(zhàn)略需求。隨著新能源汽車、5G基站等行業(yè)的興起，以SiC（碳化硅）、GaN（氮化鎵）的第三代半導(dǎo)體材料成為了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)新的競爭焦點以及發(fā)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(xiàn)狀預(yù)計在短時間內(nèi)不會得到解決。國內(nèi)各大廠商正在研制替代芯片，第三代半導(dǎo)體的雖然得到迅速發(fā)展，但是材料開發(fā)不成熟，新一代半導(dǎo)體芯片的制作以及工藝成熟預(yù)計將需要很長一段時間。
在尋找替代品以及芯片消費(fèi)降級的時刻，對于消費(fèi)電子、新能源汽車等芯片需求大、性能要求高的領(lǐng)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(chǎn)品研發(fā)、制造、品質(zhì)管理等環(huán)節(jié)中不可或缺的重要過程。
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