cpu半导体散热器效果怎么样?哪些cpu散热器是半导体散热

  关于cpu散热器一直以来大家都在争论“到底是风冷好还是水冷好?”,而今天我们要来聊一聊关于cpu半导体散热的相关知识。

  其实我们现在使用的水冷散热器,其部分原理仍旧属于“风冷”的范畴,不过是散热器的导热介质由热管的“蒸发-凝结”自动循环原理,替换为依靠由水泵电机主动循环带动的液体传导,最终所有的热量还是通过风扇的转动,形成强制对流,将鳍片(风冷)或冷排(水冷)的热量传递到环境中帮助芯片降温。因此,风冷与水冷散热器都属于“被动”的散热的形式,因为芯片的高温与环境的低温所产生的温差范围,决定了传统散热器作为"热量的搬运工",最多只能将芯片的温度降低至接近环境温度。

  而半导体散热器却是实打实的主动散热,那么为什么到目前为止cpu半导体散热还没有被普及呢?是散热效果不好还是有别的原因?下面就让我们一起来深入了解一下半导体散热的相关知识吧。

  一、在此之前我们要先了解两个概念:半导体制冷和半导体制冷片

  1、什么是半导体制冷?

  要了解半导体制冷这一具体到终端的技术应用,我们需要先了解的一个有关电与热的基础原理:热电效应( Thermoelectric effect)。

  热电效应是一个由温差产生电压的直接转换,且反之亦然。简单的放置一个热电装置,当他们的两端有温差时会产生一个电压,而当一个电压施加于其上,他也会产生一个温差。这个效应可以用来产生电能、测量温度,冷却或加热物体。因为这个加热或制冷的方向决定于施加的电压,热电装置让温度控制变得非常的容易。

  热电效应并非是一个独立存在的术语,这个理论包含了三个分别经定义过的效应,分别是:塞贝克效应(Seebeck effect,1821年),帕尔贴效应(Peltier effect,1834年)与汤姆森效应(Thomson effect,1854年)

  塞贝克效应(Seebeck effect)

  1821年德国人塞贝克发现当两种不同的导体相连接时,如两个连接点保持不同的温差,则在导体中产生一个温差电动势:

  ES=S.△T

  式中:ES为温差电动势,S为温差电动势率(塞贝克系数),△T为接点之间的温差

  帕尔贴效应(Peltier effect)

  1834年法国人珀尔帖发现了与塞贝克效应的相反效应,即当电流流经两个不同导体形成的接点时,接点处会产生放热和吸热现象,放热或吸热大小由电流的大小来决定。

  Qл=л.Iл=aTc

  式中:Qπ为放热或吸热功率 π为比例系数,称为珀尔帖系数,I为工作电流,a为温差电动势率,Tc为冷接点温度

  汤姆森效应(Thomson effect)

  英国物理学家威廉·汤姆森于1854年发现,当电流流经存在温度梯度的导体时,除了由导体电阻产生的焦耳热之外,导体还要放出或吸收热量,在温差为△T的导体两点之间,其放热量或吸热量为:

  Qτ=τ.I.△T

  式中:Qτ为放热或吸热功率,τ为汤姆逊系数,I为工作电流,△T为温度梯度

  什么是半导体制冷?通俗的讲就是,第一,热量能够产生电;第二,电也能让导体产生温差;第三,电流在温差不均匀导体中流过时,还会吸收并释放一定的热量,形成高温放热与低温吸热的状态。那么我们通过对导体成分的变化以及对电流的控制,便能够形成各种可控的具体应用,比如热能(温差)发电:可运用于军事,航天,民用能源等各种领域;热电(温差电)制冷:与温差发电相反,将电能转化为热能,制造出温差电制冷机,由于这种类型的只能装置无需压缩机,也无需氟利昂等制冷剂,而且具有结构简单、体积小、重量轻、作用速度快、可靠性高、寿命长、无噪声等优点。此外,热电冷却不需要像机械制冷那样不断填充化学消耗品,没有活动部件,也就没有磨损,维护成本很低,同样适用于军事,航天,工业及民用制冷需求。我们今天重点要聊的“半导体制冷片”,便是热电效应在制冷应用中的一种具体装置形式。

  2、什么是半导体制冷片?

  刚才讲到的帕尔帖效应(Peltier effect)自发现100多年来并未获得实际应用,因为金属半导体的珀尔帖效应很弱,无法应用于实际。直到上世纪90年代,原苏联科学家约飞的研究表明,以碲化铋为基的化合物是最好的热电半导体材料,从而出现了实用的半导体电子致冷元件:热电致冷器(ThermoElectric Cooling,简称TEC)。

  与传统的风冷和水冷相比,半导体制冷片具有以下优势:1. 可以把温度降至室温以下;2. 精确温控(使用闭环温控电路,精度可达±0.1℃);3. 高可靠性(制冷组件为固体器件,无运动部件,寿命超过20万小时,失效率低);4. 没有工作噪音。

  在TEC制冷片中,半导体通过金属导流片连接构成回路,当电流由N通过P时,电场使N中的电子和P中的空穴反向流动,他们产生的能量来自晶格的热能,于是在导流片上吸热,而在另一端放热,产生温差。帕尔帖模块也称作热泵(heatpumps),它既可以用于致热,也可以致冷。半导体致冷片就是一个热传递工具,只要热端(被冷却物体)的温度高于某温度,半导体制冷器便开始发挥作用,使得冷热两端的温度逐渐均衡,从而起到致冷作用。能够运用与PC散热器的半导体制冷片(TEC),便是这样的原理。TEC散热片的吸热(冷)端贴近发热的CPU,给CPU降温,TEC另外一面进行放热,其具备无噪声、无振动、不需制冷剂、体积小、重量轻等特点,且工作可靠,制冷速度极快,易于进行温差冷量可控调节。

  到目前为止,这项技术已经实际应用于工业,航天,军事领域已经几十年了。听起来很适合PC芯片这种功耗波动较大的发热体,而且并不是新的技术,为什么以前厂商并没有深入尝试将TEC制冷应用于PC散热领域呢?

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