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芯片是這樣散熱的

2019-10-27 19:17:43
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供稿:網(wǎng)友

早期的電腦,使用散熱器的電腦部件并不多。隨著電腦功能的日益增強(qiáng)以及電腦玩家越來越普遍的超頻之風(fēng),現(xiàn)代電腦對各重要部件的散熱要求越來越高。

電腦散熱的方式很多,目前主要分為風(fēng)冷、半導(dǎo)體致冷以及比較前衛(wèi)的水冷等等。

目前廣泛使用的風(fēng)冷,其實就是將一塊導(dǎo)熱性較好的散熱片緊緊貼住發(fā)熱量較大的芯片,在散熱片的上方再固定一個小型的風(fēng)扇。這樣,通過風(fēng)扇高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流將散熱片上的熱量帶走。朋友們在選擇風(fēng)冷時須注意:以散熱片來說,撇開材質(zhì)的問題不談,相信還是會有許多人認(rèn)為“體積”越大的散熱片,所能發(fā)揮的散熱效果就越好。其實散熱片的好壞,與其“體積”并沒有絕對的關(guān)系,反倒是“表面積”的大小與散熱有直接的關(guān)系。換句話說,也就是散熱片的表面積越大,溝槽越多,其散熱的效果就越好。散熱片上的風(fēng)扇也應(yīng)注意,一個風(fēng)扇的好壞取決于該風(fēng)扇是否能夠產(chǎn)生較大的氣流流動,借以將熱量帶離散熱片,而風(fēng)扇所能產(chǎn)生的氣流量,與風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速、葉片的數(shù)目和大小以及葉片切角的角度都有關(guān)系。轉(zhuǎn)速自然是越高越好,而葉片的數(shù)目自然也是越多越好。

介紹完風(fēng)冷現(xiàn)在我們該談?wù)劙雽?dǎo)體致冷了。半導(dǎo)體致冷的概念其實并不新鮮,前幾年就有人試用了,它以致冷快,效果好而著稱。但是其缺點(diǎn)也很突出:易結(jié)露,滲水,價格太高等等問題令人難以接受。隨著科技的進(jìn)步,半導(dǎo)體致冷的缺點(diǎn)也改進(jìn)不少,相信在不久的將來半導(dǎo)體致冷器能廣為用戶接受。半導(dǎo)體致冷器的工作原理如下:碲化鉍(Bismuth Telluride)加入不純物后,經(jīng)過處理而成N型或P型半導(dǎo)體,這些N型和P型的半導(dǎo)體顆粒互相排列后,中間以一般的銅、鋁等導(dǎo)體相連接,成為一個完整的線路。當(dāng)致冷器通電之后,電子在經(jīng)過P型半導(dǎo)體時,因為該半導(dǎo)體的物理特性而吸收了熱量,而到了N型半導(dǎo)體時又將熱量放出。每經(jīng)過一個NP通道時,就會有放熱與吸熱兩種情況產(chǎn)生,使致冷器兩面形成溫差較大的冷熱端。此時,就以低溫的那一面來接觸處理器的發(fā)熱面,而發(fā)熱的那一面則必須用風(fēng)扇將熱量排出。至于水冷方式,由于過于復(fù)雜,危險性較高,在這里就不細(xì)說。

電腦需要加裝散熱器的部件可謂越來越多,除了速度飛速狂飆的CPU外,主板北橋芯片組、顯卡,甚至硬盤等電腦部件都可安裝。其實,對發(fā)熱量較大的電腦部件進(jìn)行外部散熱只是一個方面,電腦芯片的內(nèi)部散熱更為重要,也更不為廣大讀者所知。因此,在這里我們重點(diǎn)談?wù)勑酒瑑?nèi)部的散熱方式。

隨著3D游戲的日益發(fā)展,為了獲取更高速的運(yùn)算速度,以完成大量材質(zhì)貼圖的工作,以Nvidia為首的圖形芯片生產(chǎn)商不斷地推出新品,顯卡也漸漸變得與處理器一樣,不僅運(yùn)算速度不斷提高,相對帶來的溫度也直線上升。

為了解決圖形芯片的溫度越來越高,而散熱空間卻嚴(yán)重不足的窘境,目前出廠的高端3D顯卡除了都裝上了散熱器外,其內(nèi)部的散熱技術(shù)也有重大的改進(jìn),采用了一種全新的散熱方式——內(nèi)嵌式散熱片。何為內(nèi)嵌式散熱片?一般來說,我們目前所使用的芯片都是將芯片的基層電路板以及晶圓,直接封裝在矽之中制成。但從GeForce系列芯片的外觀來看,在該芯片的中央有一圈圓形的部分,該部分乍看起來有點(diǎn)像是以圓形的貼紙貼上去一般,而該芯片的品牌以及型號都打印在上面(見圖4)。不過再仔細(xì)觀察,卻又發(fā)覺中間圓形的部分與旁邊的矽質(zhì)部分,在高度上是完全一致的,不像其它芯片在其上貼上了貼紙后,因為貼紙厚度的關(guān)系,會使芯片的平面有些許的突出。其實,該芯片中央圓形的部分,是當(dāng)初在設(shè)計該芯片時,用來作為散熱之用的“散熱片”。是的!沒錯,真的是散熱片,且是內(nèi)嵌在圖形芯片中的散熱片,各位不用懷疑。從圖5、6中我們可以清楚地見到該芯片的剖面圖。在圖6中最下面的那一部分,是芯片的電路基板,方便將各個信號接腳以及電源接腳接出。而圖中核心的部分則是晶圓。至于Heat Slug是內(nèi)嵌散熱片的部分,而Mold CPD,自然就是我們常見的封裝晶圓的矽了。在晶圓與內(nèi)嵌散熱片中間的部分,是與散熱硅膠有相同作用的膠質(zhì)物質(zhì),它使晶圓與內(nèi)嵌散熱片之間增加了熱傳導(dǎo)的面積。因為該物質(zhì)與晶圓和內(nèi)嵌的散熱片相互緊貼,使得該芯片能夠以熱傳導(dǎo)的方式,迅速地將晶圓所產(chǎn)生的熱量導(dǎo)出到散熱片。這樣可使該芯片速度更快、更穩(wěn)定、更適合超頻,這也是GeForce系列顯卡能傲視群雄的一個主要原因。既然內(nèi)嵌式散熱片有這么大的作用,它是怎么做出來的呢?

一顆芯片的生產(chǎn)過程,大致上是先將線路已經(jīng)設(shè)計好的“電路基板”固定,然后將已經(jīng)蝕刻過的“晶圓”固定在電路基板上,完成所有的測試,以確定晶圓可否利用已設(shè)計好的電路基板工作,當(dāng)所有的測試都已通過以后,才開始進(jìn)行封裝的工序。進(jìn)行封裝的材料一般都為矽或是鍺,但是目前我們所見到的大多為矽,而以鍺為材料進(jìn)行封裝的芯片,大多使用于較為惡劣的工作環(huán)境下的各類設(shè)備中。

內(nèi)嵌散熱片的芯片,與目前一般所使用的芯片在封裝上的最大差異,在于進(jìn)行封裝之前,必須在晶圓上再加上一個具備較佳散熱性并且不導(dǎo)電的散熱片。同時必須使晶圓與散熱片之間有傳熱的膠質(zhì)物質(zhì),緊貼著散熱片以及晶圓,借以增加熱傳導(dǎo)的面積,不過兩者之間的膠質(zhì)物質(zhì)要做到緊緊密合,卻不是一件容易的事情。


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