[硬件] 笔记本散热探索：热从哪里来？到哪里去？

bobwu

说起笔记本的发热，那可真是件令人烦心的事，腕托温度高了，出气口呼呼地吹热风，一不小心，CPU过热，来个降频工作甚至是死机蓝屏，多悲催啊。可笔记本为什么会发热呢？这些热量从哪里来，要如何把这些热量排放出去？让我们一起Discovery！
热的来源
    要解决发热问题，首先要明白笔记本的热源，说起来，笔记本的热源可不少，而且发热原因也各不相同，那么，笔记本都有哪些发热部件，它们的热量又是怎么来的呢？
1.屏幕之热，罪在背光
    虽然笔记本的液晶屏不小，屏幕内部的晶体在翻转时，也要消耗一定的电能，但这一过程耗电较少，产生的热量也不多，还真不是屏幕发热的元凶。我们之所 以会觉得屏幕发热，关键还在于屏幕的背光，要知道，尽管现在的笔记本已经大规模采用LED背光代替CCFL灯管，结构的简化和效率都有了一定的提高，但 LED背光的发光效率也只有30%左右，其余70%的电能，依旧转化为热量，这样，屏幕大概会产生5W的热量。
2.硬盘之热，高速转动
    对于机械硬盘来说，盘片每分钟5400转甚至是7200转的高速旋转，是产生热量的主要原因，在这种情况下，电机效率达不到100%，发热是必然的。盘片虽然密封在一个超净腔体内，但并不是真空的，高速旋转后，腔体内的空气还是会变得暖烘烘的。
3.电池之热，在于内阻
    在充放电时，总觉得电池滚烫，这也不奇怪，电池可是有内阻的噢，再加上充放电时电流不小，复习下初中物理你就知道，这电池的内阻一大，发热可不小。 而随着电池的老化，其电解液干涸或是聚合物老化，锂离子或正负极材料活性变差等诸多因素的影响，锂电池的化学内阻还会进一步增加，由此引发的不仅是电池容 量的减小，还会导致充放电时，电池发热量的进一步增加，这也是不少人觉得笔记本电池越用越热的主要原因。
4.芯片之热，原因众多
    对于笔记本来说，发热量最大的是CPU、显卡之类的各种芯片，那么，这些半导体芯片为什么会发热呢？原因众多。首先是传导发热，也就是说电能在芯片 内部的传导过程中，由于导线有一定电阻，从而引起发热。别以为CPU就那么一点大，内部的导线也长不到哪去，要知道，现在的SNB芯片已经内置了11.6 亿个晶体管，那么，连接各元件间的导线如果接起来，其长度可观。而CPU的高集成度，又令导线无法做得宽大，导线的电阻率又迅速上升，这样，电能在CPU 内部的传输损耗引起的发热，还真不容小视。
    其次，是导通发热，虽然理论上，芯片内部的晶体管在导通时，其电阻应该为零，但现实并没有那么完美，芯片内的晶体管在导通时，其PN结上依旧会有一 定的压降，同时，驱动晶体管需要有一定的电流，这样，就让晶体管在导通时产生一定的热量。虽然在现有工艺的帮助下，晶体管的PN结势垒已经做得很小，其导 通时的压降仅有几毫伏，但现在的芯片集成规模越来越大，每个晶体管产生一点点热量，数亿个晶体管产生的热量也相当可观。
     再次，是截止漏电流发热，这是芯片近年来才遭遇的问题，正是由于制造工艺的进步，让芯片间的导线和晶体管距离更近，晶体管越做越小，PN结势垒降低，这 样，PN结对电子的阻挡能力会降低，当晶体管处于截止状态时，还有一部分电子会偷偷通过PN结或线路间的绝缘材料，从电位高的地方跑到电位低的地方，这种 漏电最后变成热量消耗掉，引起了芯片的发热。

Google地图？不，这是CPU内部放大200倍的照片

    实际上，芯片的发热还有很多，芯片内部寄生电容、电感以及晶体管的状态和形式，都可能引起芯片的发热。而芯片集成晶体管的增加，芯片越来越复杂，更是让芯片的发热大大增加，幸亏现在制程的提升和芯片工艺的进步，才让芯片的功耗和发热量稳中有降。

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热的去向
    笔记本是如何散热的呢？对于屏幕，解决起来倒是简单，毕竟它发热量不大，“住房”也宽敞，自然散热即可；电池嘛，不充放电时不发热，也用自然散热； 什么南桥芯片、声卡芯片、网卡芯片，那就不能太马虎了，需要在笔记本内形成风道，让气流带走热量，才能保持稳定；至于热情如火的CPU和显卡，那就得用散 热器了，别看笔记本中的散热器很小巧，甚至很简单，那可是有讲究的。
1.吸
    要散热，首先就要将芯片上方产生的热量吸走，笔记本散热器上的底座就是起这个作用的，而且，底座上的螺丝大多采用弹簧设计，这样做的目的是尽可能让 底座贴紧芯片表面，同时又不会让CPU的顶盖承受太大的压力而压坏芯片。不过，光靠底座紧贴芯片还不够，毕竟，底座和芯片还无法紧密接触，这样，热阻，也 就是热量传递时的阻力很大，底座吸收热量的效果不佳。好吧，在芯片上涂上一层薄薄的硅脂，填充芯片和底座接触间的缝隙，这下，底座的吸热效果好多了。
2.传
    底座吸收了热量之后，必须把热量传递出去，在笔记本散热器上，这项工作由热管来完成，别以为这是厂家在偷工减料，用空心的热管来替代铜管，实际上， 热管内部填充有导热液，在CPU底座端，导热液因受热而蒸发，流向散热器的鳍片，冷却后再变成液体，流回底座端。这样，就完成了热传导的过程，要知道，液 体在蒸发和冷凝时，所吸收的热量是温升时的上百倍。这样，热管里的一点点液体也可以搬运出不少的热量。其导热效果，比实心的铜管好多了，重量还轻。这就是 笔记本散热器都采用热管传递热量的原因。
3.扩
    增大散热面积，才能将热量迅速地扩散到空气中去，因此，在热管的末端，我们可以看到密集的散热鳍片，这些散热鳍片的作用就是把热量从热管中导出来， 依靠更大的散热面积与空气交换热量。理论上，这些鳍片自然是越密集越好，这样，其总体散热面积更大，散热效果也更出色。不过啊，密集的鳍片不仅制造困难， 还有一大缺陷，容易被灰尘堵塞，从而影响散热效果。
4.吹
    对于大多数笔记本来说，以上措施还不够，毕竟，只依靠热辐射和热传导，加热的空气，排放的热量有限，只有依靠效果最好的热对流，才能满足高热芯片的 散热要求，因此，风扇对于大多数笔记本来说，必不可少。依靠风扇源源不断输送温度较低的冷空气，并将鳍片上被加热的空气带走，这样，才能最大限度地将鳍片 上的热量带走。
    看似简单的笔记本散热器，正是依靠吸、传、扩、吹，才解决了火热芯片的散热问题。

芯片底座下凹并涂抹硅脂，增强吸热

热管原理示意图

密集的散热鳍片，增大散热面积

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