cpu散热片的设计及模拟word格式论文.docxVIP

第 1 章绪论1.1 课题研究的背景和意义随着电子工业的迅猛发展，各种电子设备也越来越向高频、高集成化发展， 从而导致其发热量逐年增加。同时，由于使用了以集成电路和大规模集成电路的 小型化部件，趋向于高密度装配，因而单位容积的发热量逐年增大。一个最典型 的例子就是电子计算机芯片近年来的发展。目前对PC机能够处理的数据和运行的速度要求越来越高，这使得芯片的集成 度倍增。晶体管数量的显著增加大大提升了处理器的执行效率，但随之而来的问 题是功耗及发热量的直线上升。在2000年，个人电脑（PC）使用的处理器的主频 速度接近1GHz，散热量接近50W，而在2004年主流处理器的主频速度已超过了 3GHz，散热量接近100W [1]，并且在双核心处理器的研发下大有翻倍之势。然而，人们对计算机内部空间紧凑性的设计要求,中央处理器（CPU）的体积 越来越小，但运算速度在不断提高，芯片的发热量猛增到 70W-80W[2] 。高集成度 CPU 芯片的性能对温度十分敏感，主要失效形式是热失效，散热情况的好坏将直 接影响到计算机工作的稳定性，如果 CPU 的热量不能够及时合理地散出，CPU 的 寿命将会缩短，引起 CPU 性能的降低甚至损坏。研究表明，随着温度的增加，其 失效率呈指数增长趋势，即使是降低 1℃，也将使失效率降低一个可观的量值；单 个半导体（CPU）元件的温度每升高 10℃，系统可靠性将降低 50％，超过 55％的 电子设备的失效是由于温度过高引起的[3,4]。温度过高或过低，CPU 不能稳定工作，性能会显著下降，从而也将影响到整 个计算机系统的可靠运行。用 Intel 公司微处理器研究实验室负责人的话说，高频 处理器产生的热量简直就是阻碍它发展的一堵墙。为提高系统性能、增强其可靠 性和维持 CPU 温度在合适范围内，关键因素是应用散热技术。我们需要采取适当 的措施使集中在 CPU 中的热量及时地散发出去、降低其温度，保证它在正常运行 的温度范围内运行，最高温度不得超过 85℃ [5]。因此，散热器作为 CPU 的主要冷却器件得到了显著关注[6,7]。1.2 国内外研究进展目前较流行的散热方法[8]有：风冷，水冷，半导体和热管散热等。1）风冷散热风冷散热方式是目前市面上台式机普遍采用的散热方式，风冷散热方式是在 CPU散热片上安装一个风扇，利用散热风扇将CPU的热量通过空气强制对流带走。 我们知道，热量传递的基本方式有三种，即热传导、热对流和热辐射，对于风冷 散热器而言，热传导与热对流是主要的热量传递方式，热辐射与热对流和热传导 有本质的不同，热辐射能把热量以光的速度穿过真空（空气）从一个物体传给另 一个物体（冷热物体不需要直接接触）。在风冷散热器中，为便于分析一般都把 辐射换热折算成对流换热，加大对流换热系数来考虑辐射换热因素。热传导是两 种温度不同的物体之间，或同一物体但温度不同的两部分之间，因直接接触而引 起的热量交换，物体各部分之间不发生相对位移，热传导过程一直进行到接触物 体的温度相等为止，具体过程如下[9]：（1） 热量在 CPU 内的热传导（CPU 放热）；（2） 热量从 CPU 表面传递到散热片底座（底部厚度范围内的热传导）；（3） 热量从散热底座传递到翅片端部（翅片范围内的热传导）；（4） 散热片内的热量通过风扇强制对流散发到空气中（热对流、散热片放 热和空气吸热）。2）水冷散热对于一套水冷散热系统必须具有以下部件：水冷块、循环液、水泵、管道和 水箱或换热器。水冷块是一个内部留有水道的金属块，由铜或铝制成，与CPU接 触并吸收CPU的热量。吸收了CPU热量的循环液就会从CPU上的水冷块中流走，而 新的低温的循环液将继续吸收CPU的热量。水泵的作用是使循环液在循环的管路 中流动。水管连接水泵、水冷块和水箱，让循环液在一个密闭的通道中循环流动 而不外漏，保证水冷散热系统正常工作。水箱用来存储循环液，换热器就是一个 类似散热片的装置，循环液将热量传递给具有大表面积的散热片，散热片上的风 扇则将流入空气的热量带走。但水冷散热系统使用不方便，体积大，安装麻烦，而且要防止漏水和结露现象，成本也比较高，很少被用户所采用。3）半导体散热半导体散热是热电效应（主要是帕尔贴效应）在制冷技术方面的应用[10]，于1960 左右才出现，然而其理论基础 Peltiereffect [11]可追溯到19世纪。热电制冷器实现了 热量从低温物体到高温物体的迁移。发热面温度相当高，需要一个好的散热风扇 或水冷散热器散热，如果发热面温度控制不好反而适得其反。目前，半导体散热工艺不成熟、价格高、耗电量大、易因制冷面温度过低而 出现CPU结露导致短路现象，所以在使用上有一定的限制。4）热管散热热管首先是由美国俄亥俄州通用发动机公司（The Genaral