晶片怎麼散熱？熱的傳遞路徑與冷卻的極限

生活中的例子

用手機一直玩遊戲，機身會變溫。過一陣子，有時還會覺得動作有點卡。筆電開始做吃重的工作時，風扇的聲音會變大。

這些都和裡面晶片發出的熱，以及把熱排掉的機制有關。新聞常提到的「資料中心的電力與冷卻」，也是同一件事的放大版。本文要依序看看，熱在哪裡產生、經過哪裡被排掉。

晶片為什麼會變熱

晶片裡有數十億個電晶體，在0和1之間切換。每次切換，都會在導線裡存入一點點電，再放掉。電流流過細小的通道時，通道的電阻會把電能變成熱。這和電暖器會變熱是同樣的原理。

這種「每次切換所用的電力」，稱為動態功耗。切換得越快，或一次切換的數量越多，熱就越多。

沒有切換的時候，也會發熱。這是因為本來應該關閉的電晶體，還是會持續漏出一點點電流。這種漏電所用的電力，稱為靜態功耗。溫度越高，漏電增加得越快，所以晶片越熱，就越容易發出更多熱。

晶片雖然在做計算，但幾乎不會移動東西或發光。所以送進來的電能，最後幾乎全部變成熱。「耗電100瓦的晶片」，和「每秒發出100焦耳熱的晶片」意思幾乎相同。焦耳是能量的單位，瓦特是每秒的焦耳數。這裡省略了以訊號形式送出去的少量電能。

太熱會有什麼問題

晶片有不能超過的溫度。最熱的地方，是電晶體排列的部分。這部分的溫度稱為「接面溫度」，上限依產品而定。根據Intel的說明，該公司大多數處理器的上限是100～110 ℃。

接近上限時，晶片會自己降低運作速度（頻率）與電壓，減少發熱。這種作用稱為熱節流（常說的「降頻」）。如果溫度還是降不下來，為了避免損壞，會自動切斷電源。散熱能力不夠，晶片就跑不出原本的速度。

另一個問題是壽命。在高溫下，導線的金屬一點一點移動等劣化，會進行得更快。溫度和劣化速度的關係，在「阿瑞尼斯方程式是什麼？」中詳細說明。常聽到的「溫度升高10 ℃，壽命減半」，只是會隨條件改變的參考值。

熱的路徑：從晶片到空氣

以電腦的CPU為例，看看熱的路徑。CPU的本體，是從圓形的矽板（晶圓）切下來的小片。這一小片稱為「晶粒」。晶粒翻面放在一塊有佈線的小板子（基板）上。所以，晶粒的背面朝上。

晶粒的背面上，蓋著一片金屬蓋。金屬蓋負責把小小晶粒的熱擴散到較大的面積，所以也稱為均熱片。再往上，壓著一塊排滿金屬鰭片的散熱片。熱依序經過晶粒 → 金屬蓋 → 散熱片 → 空氣。

圖中的「TIM」，是填補縫隙的材料。金屬表面看起來很平，仔細看卻凹凸不平，疊在一起時，小縫隙裡會留下空氣。空氣非常不容易傳熱，傳熱能力不到銅的一萬分之一。所以要在縫隙裡填入容易傳熱的膏狀材料等。這種材料稱為TIM（熱介面材料，連接熱的材料）。

散熱片排滿鰭片，是為了增加和空氣接觸的面積。因為熱只會從金屬的表面傳到空氣。包住晶片的封裝有什麼功能，在「半導體封裝是什麼？」中說明。

熱阻：把熱的難通過程度變成數字

熱路徑上的每一段，都有「熱不容易通過的程度」。這稱為熱阻。單位是「℃/W」，表示讓1瓦的熱通過時，入口和出口之間會產生幾℃的溫差。數字越小，熱越容易通過。

溫差由熱量和熱阻相乘決定。例如，假設從散熱片到空氣的熱阻是0.3 ℃/W。讓100瓦的熱通過，會產生100 × 0.3 = 30 ℃的溫差。如果室內空氣是25 ℃，散熱片約為55 ℃。

從晶粒到散熱片的部分也有熱阻。假設晶粒、TIM、金屬蓋、散熱膏合計0.2 ℃/W，又會產生20 ℃的溫差。路徑上的熱阻可以相加，所以晶粒的溫度是25 + 30 + 20 = 75 ℃。距離上限100 ℃還有餘裕。這裡的數字是說明用的例子，實際的值會隨產品和安裝方式改變。

風扇停下來時，散熱片到空氣的熱阻會增加，例如變成1.0 ℃/W。這樣晶粒的溫度就是25 + 100 + 20 = 145 ℃，超過上限。實際上，在那之前熱節流就會啟動，降低速度直到發熱減少。從耗電和熱阻來計算，可以用接面溫度計算器試試看。

風扇與熱導管

風扇會替換散熱片周圍的空氣。在鰭片表面變熱的空氣馬上被吹走，冷空氣持續接觸鰭片，熱就更容易傳到空氣。也就是說，風扇是降低散熱片到空氣之間熱阻的工具。代價是轉得越快，聲音越大。

筆電裡，晶片和風扇常常離得很遠。所以要用細細的銅管，把熱運到遠處。這稱為熱導管。管子裡的空氣已經抽掉，並裝有少量液體（多半是水）。

在熱的一端，液體蒸發成氣體。氣體在管內移到冷的一端，在那裡冷卻後變回液體。變回液體時，會把帶來的熱放給鰭片。液體滲進內壁細小的溝槽或網，被吸回熱的一端。這和把面紙的一角泡進水裡，水會往上爬是同一種力。

這種方法能有效運送熱，是因為液體變成氣體時會吸收大量的熱。這和汗水乾掉時身體會變涼是一樣的。管內抽掉空氣、壓力很低，所以水在低於100 ℃時也會大量蒸發。把液體送回去的不是重力，而是內壁的吸力，所以換個方向也能運作。不過，能運送的熱量會隨方向改變。

手機：沒有風扇也要散熱

很多手機既沒有風扇，也沒有鰭片。因為薄薄的機身放不下，而且為了防水防塵，也很難開孔。所以，要用薄板或薄片把晶片的熱擴散到整個機身，再從機身表面慢慢散到空氣中。

擴散熱的零件之一，是扁平形狀的熱導管。這稱為均熱板。細管是把熱往一個方向運送，均熱板因為是板狀，可以把熱擴散到整個面。例如，Apple在2025年9月發表了iPhone 17 Pro。說明中提到，把封入水的均熱板焊接在鋁製機身上。

即使如此，手機的散熱能力還是有極限。因為表面不能熱到人拿不住。長時間玩遊戲時，會用熱節流降低速度，減少發熱。Apple的支援說明也提到，溫度過高時會改變運作方式來調節溫度，溫度再升高就會顯示警告畫面。

電腦與GPU：數百瓦的熱

電腦的CPU和GPU，發出的熱比手機晶片多得多。散熱裝置是以晶片持續做重度工作時的發熱參考值為基準來設計。這個參考值稱為TDP（熱設計功耗）。Intel從第12代Core起，把這個值稱為「Processor Base Power（基本功率）」。

例如，Intel在2023年推出的Core i9-14900K，基本功率是125瓦。提高速度運作時，最多會用到253瓦。接面溫度的上限是100 ℃。

用於繪圖和AI計算的GPU，發出的熱更多。NVIDIA在2025年推出的GeForce RTX 5090，整張卡可用的功率上限是575瓦。2022年的RTX 4090是450瓦。沒在做重度工作時，會以比這更少的電力運作。這類顯示卡會在大型散熱片上搭配熱導管或均熱板，再用多個風扇冷卻。GPU為什麼用於AI，在「AI為什麼要用GPU？」中說明。

資料中心：從空氣到液體

資料中心裡，裝著這類晶片的伺服器排列了好幾千台。伺服器會疊放在稱為機櫃的高架子上。塞滿AI用GPU的機櫃，光靠空氣已經運不走所有的熱。整棟建築物的冷卻方式，在「資料中心是什麼？」中說明。

因此，用液體運送熱的方法越來越多。以相同體積比較，水能儲存的熱約為空氣的3,500倍。常見的方法，是在晶片正上方貼上內部有液體流動的金屬板。金屬板接收的熱，會隨著液體經由管線運到伺服器外面。

也有把整台伺服器浸在不導電液體裡的方法，稱為浸沒式冷卻。Microsoft在2021年宣布，開始使用把伺服器浸在約50 ℃就會沸騰的液體中的方式。晶片的熱讓液體沸騰，蒸氣在容器的蓋子冷卻後變回液體，再落下來。這是把熱導管「蒸發、凝結再回流」的原理，用在整個容器上。

常見的誤解

從數字來看

晶片的功率數字，每推出新一代就會改變。上表的產品數字，都是各自推出時的規格。

進一步學習

• 用計算試試看：接面溫度計算器（從耗電與熱阻求出晶片的溫度與餘裕）、CMOS功耗計算工具（求出切換與漏電的功耗）
• 用表格看差異：BGA、QFP、QFN的差異（形狀不同，散熱方式也不同）、打線接合與覆晶的差異
• 用圖來看：圖解一覽（包括把熱阻串接起來的模型圖等）
• 下一步的用語：DVFS（動態電壓頻率調整）（配合工作量改變電壓與速度）、功率上限控制（為電力設定上限並加以抑制）
• 相關文章：「手機裡有哪些半導體？」「功率半導體是什麼？」