如何对笔记本电脑处理器进行散热？

向更高性能微处理器单元(MPU|0">MPU)的不断演变彻底改变了计算机的大小设计。这种演变通常遵循着摩尔定律，即半导体产业中的晶体管密度每两年翻一倍，同时性能一代比一代高。性能的提高使得微处理器芯片的功耗和功率密度也不断增加。

一些值得尝试的解决方案

降低功耗的方法之一是减小电源电压，这种方法主要得益于晶体管沟道长度的缩短和栅极电介质可靠性的提高。不过即使供电电压减小，但总的功耗仍将不断增加，其原因是芯片工作频率越来越高、互连总电容和电阻越来越大以及呈指数式增长和缩减的片上晶体管带来的栅极漏电流的增加。

MPU必须控制影响其可靠性的工作温度，其中可靠性定义为故障率或有效系统时间，单位是每106小时内的故障时间。阿列纽斯(Arrhenius)可靠性模型规定，故障率是温度应力的函数，应力越高，故障率也就越高。一般情况下温度每升高10℃，故障率就增加50%。反之，工作温度降低10℃就可以减少故障率。

因此，故障率及其倒数，即平均无故障时间(MTBF)是衡量电子系统中热管理效率的一种指标。在解决热问题的过程中，电子系统设计师必须进入封装和热设计工程师的工作范畴。

除了可靠性和性能问题外，微处理器的热管理还涉及到经济和机械方面的挑战。成本显然是一个重要的考虑因素。在尝试采用功率越来越高的微处理器时，尺寸方面的考虑同样重要，特别是对于笔记本电脑而言。

目前有两种热设计架构(如图)。在架构I中，裸片通过一种热接口材料(TIM)连接到散热器，而架构II是先将一个集成散热器(IHS)通过TIM连接到裸片，然后IHS再通过另一个TIM连接到散热器接口。与架构II相比，架构I的尺寸较小，通常被用于移动和手持电脑中的微处理器。架构II则常用于台式机和服务器等应用中的微处理器。

面向笔记本电脑的热设计架构(a)，面向台式机和服务器的热设计架构(b)。 散热器 散热器是使用得最广泛的热管理器件，它通过将微处理器产生的热量传导到一个特殊结构的金属板来完成散热。最常用的散热器有许多金属鳍片。这种金属的高导热性和大表面积能将微处理器热量很快传导到散热器以及周围空气中。散热器的散热能力取决于它的材料、几何尺寸以及总的表面传热系数。 散热材料通常是铝或铜，而铜要比铝贵和重。与铜相比，铝具有更容易成型并制造出不同形状的优势。带鳍片的散热器具有多种成型方式：挤压、冷铸、压铸、铣磨、焊接以及折叠。一些散热器由一串压入基板的圆形引脚组成。 使用散热器时的一个关键参数是相关联的微处理器封装的热阻，它代表的是将热量传导到周围环境中的能力。设计目标是在某一给定功率条件下获得较低的热阻值，这个热阻值允许微处理器结点工作在最佳温度下，并提供较长的使用寿命。 没有散热器的情况下，热量流动将导致散逸热量向各个方向流动。当采用微处理器散热器后，热量在散发到空气之前将先从外壳传递到散热器。这样，散热器增加了有效散热面积，并能够消除微处理器产生的热量，从而让微处理器工作在更高的功率等级。 从原理上讲，热阻被表示为电阻，虽然它们事实上是等量的热值。而从数学上讲，热阻是每器件功耗单位结点温度超出壳温的温升幅度： 其中：θjc =从结点到外壳的热阻，单位是℃/W，它是微处理器及其封装的函数。 θja =从结点到环境的热阻，单位是℃/W Tc =微处理器壳温，单位是℃ Ta=环境空气温度，单位是℃ Tj=微处理器结点温度，单位是℃ Pd=微处理器功耗，单位是W 热界面材料 理想情况下散热器要求与需要被冷却的微处理器保持紧密的表面接触。但在实际使用中，微处理器和散热器的表面并不十分平整，无法实现这种紧密的物理接触。因此，必须使用某种热导界面材料来填充对接表面之间的任何间隙。在许多情况下，这种界面材料还必须具有电绝缘体和热导体两种性质。 这些材料的范围很广，从热脂到胶带和室温下固态、高温下液态的相变材料不等。某种硬化成型垫片和橡胶垫也可用作间隙填充材料。图3给出了微处理器结点与周边空气之间的热阻。 热分析软件 在将设计交付生产前，对其热特性进行评估不失为一个好主意。目前有多种软件程序可用于这种评估。例如，Flomerics公司推出的用于电子元件和系统热设计的Flotherm 3D仿真软件可以创建电子设备的虚拟模型。 Flotherm还可以远在任何物理原型建立前的设计过程早期阶段快速且方便地执行热分析和测试设计修改。它采用先进的计算流体力学(CFD)技术预测元件、电路板和完整系统中的空气流动、温度和热量传递。 在评估用于电子系统的热分析软件时，用户能否从供应商处得到强有力的技术支持非常重要。用户应该充分考虑建模方法、用于分析的系统定义、计算网格的创建、解决方案和控制性能以及结果描述。