為什麼給cpu進行液氮冷卻不會熱脹冷縮而損壞？

01-27

這麼大的溫差，這麼小的晶體管原件，哪怕熱脹冷縮只有那麼一丟丟不也是壞了么？還是說熱脹冷縮的程度真的非常低？求解。

現在看到的回答基本都是扯淡。不管風冷水冷液氮冷，都是作用於散熱器，而非晶元本身。一般的半導體材料直接被降到零下一兩百度，特性早就變化了，很可能徹底無法工作。

晶元的熱脹冷縮效應在封裝設計中很重要。大約10年前Nvidia的一批筆記本顯卡大量花屏，就是熱脹冷縮導致接觸失效。

這個溫差不是降在小小的晶體管上，而是在晶體管／電路→互連介質／互聯線→封殼→散熱器／環境這個熱傳導系統的兩端。

低溫時（低於200K）晶體管可能因載流子凍結而失效，晶體管模型及應用的溫度角在低溫端通常是-40℃，實際應用時不會令極低溫作用在晶體管上。

水冷或液氮散熱主要是用於CPU重負荷工作時，此時晶體管的結溫Tj很容易超過100℃，在高溫端，根據不同的應用場合，允許的Tjmax一般在85℃到150℃，溫度過高晶元也會失效。由於從晶體管到散熱器／環境的通路不可避免的存在熱阻，在熱阻難以進一步降低的情況下，降低散熱器或環境溫度有利於控制Tj，保證晶元正常工作。

晶元的熱管理確實要考慮不同材料如單晶矽片、互連介質、互連金屬、封殼等之間的膨脹係數和熱阻，上市的商品都是經過嚴格/全面／專業的測試才拿到許可證的，無須擔心。

CPU液氮降溫也叫LN cpu cooling。是極限超頻玩家玩的，一般用戶切忌模仿。CPU核心溫度有個範圍，我們以E3800系列來舉例：

只有零下-40度，而為航天等設計的CPU也不到-100度。超過溫度範圍會觸發硬體的保護，有幾個閾值，從ACPI的警告溫度（ACPI與UEFI - 知乎專欄）到直接切斷電源等分幾個階段。液氮並不會直接和CPU接觸，實驗需要特別設計：

1. 液氮帶來的低溫會造成水汽凝結，水是電子產品大敵，防水很重要，板子要做特殊防護，像這樣：

2. 液氮是倒入一個金屬鍋中，鍋要做保溫處理，防止水汽凝結，鍋要連接溫度監控，防止溫度過低。

3. CPU液氮冷卻不會開核（這和水冷不同）。在BIOS調節好電壓等條件後，慢慢在鍋里倒入液氮

4. 隨時監控溫度。

因為CPU熱量有個傳導過程，同時CPU超頻發熱大大超過線性增長，所以倒入液氮也不會造成CPU溫度低於閾值（譬如-40度）。

最後普通人切勿模仿，有凍傷危險！

如果CPU核心，即CPU的晶元部分，理論上達到「絕對零度（-273℃）」，我可以肯定的跟你講：這塊CPU，多半是廢了。

用液氮給CPU冷卻，溫度槍檢測出來的，是負責給CPU冷卻的「散熱介質」的溫度。

而CPU核心的工作溫度，一般「最低」能保持在多少呢？

AMD Ryzen系列處理器的液氮超頻結果，給了我們一個準確的答案：

-29℃

事實上，大部分消費級電子產品的工作溫度，本身就可以保持-40℃到+90℃的水平，不算「嬌貴」的iPhone。

所以，「液氮超頻」，是對玩家的反應能力、動手能力、經驗，都有著嚴苛要求的工作，這要求玩家必須做好「萬無一失」的工作後，再小心翼翼地，把液氮倒入「液氮炮」里，完成超頻工作。

早一秒也不行，會「凍壞」CPU；晚一秒也不行，會使超頻效果不夠理想

無論是什麼電子元件，都會有一定的電阻，沒有「絕對零電阻」的元器件存在，所以，CPU在工作的時候，肯定會產生熱量。

有電流通過就要在電阻上產生熱量（W=I2Rt）。當電流通過連接CPU裡面的原件時就會產生的熱量，這種是焦耳熱，跟電流的平方成正比；
不要忘了，CPU是單晶硅做成的數量級極大的一堆晶體管，雖然通過容性阻抗，或者感性阻抗時候產生的熱量，單個晶體管的熱量較少；
由於工藝的限制，晶體管之間的「漏電」，也和電流的平方成正比，製程越先進、架構越先進的CPU，漏電的情況越少，發熱量也越少；

真正的發熱大戶， 是電流通過PN結（就是那無數的半導體晶體管啦）的時候，釋放的熱量，和頻率成正比，和電流的平方成正比。

所以，你可以想像，當一個設計工作頻率，不超過4.0Ghz的CPU，當玩家們將它超到瘋狂的6.6Ghz的時候，這樣的發熱量，該有多大！

由於主板一般只顯示CPU的核心電壓，不顯示電流，所以上圖這個老酷睿四核CPU，正常電壓1.2875v，加壓超頻至1.45v時，如果CPU TDP不變，電流確實是減小了，但因為加壓後，CPU的電流也是繼續緩步提升的（CPU是一種複雜的電子元件，不能視其為純電阻，這個結論是通過實測反推出來），加上頻率的急劇拔高，CPU的實際功耗，會比超頻前高得多

12V供電的Core 2 Duo E7600，由於超頻，它內部的電流增加了超過一倍。

日常的風冷、水冷，根本鎮壓不住！

超頻玩家，一般會將CPU「開蓋」——即把CPU外層的保護金屬殼，和這層金屬殼，與CPU核心之間的「焊釺」給刮掉，就是為了讓冷卻介質，和CPU進行「親密接觸」，保證熱量，儘可能的，第一時間從CPU外部給帶走。

所以，CPU並不總是「耐操」的，超頻玩家，給「液氮炮」里添加液氮，也不是任性的，一定要事先計算好，待超頻CPU，在極限頻率下，產生的熱量，「按需倒入」、「按量倒入」，這樣才不會讓CPU「燒毀」或者「凍壞」。

這種精確的控制，才是DIY的樂趣所在！

老闆，再加點孜然！

誰說不會，縮缸是很常見的情況………………

做液氮超頻的一般都會做保溫層保溫的，不要以為是真的直接拿液氮倒上去………………

因為矽片整體，長程有序的襯底還是占絕大部分，其熱脹冷縮比較一致，內連金屬延展性很好，可以跟隨其進行伸縮。且總體來說體積變化比起塑料、金屬塊等物體要小得多。

普通矽片/砷化鎵/鍺晶體薄片放在平台上直接澆液氮，也是不會壞的。這個過程我工作實驗室經常做，在線測試步驟之一。

另外說到功率問題：溫度到液氮附近後，集成電路器件遷移率一般會暴漲2-3倍，注入區電阻率下降一些。帶來的直觀感受是MOSFET飽和電流大大增加。通用CPU一般數字電路佔主導，大飽和電流帶來的好處是後端柵極充放電速度增加，但溫度降低，MOSCAP增加，幅度不如飽和電流。也就是說，單位時間內充放電電流增加了，但總量其實還好。總體功率只要頻率不增加的話是沒什麼變化的，因為CMOS電路作為壓控器件組合，主要的功耗在於狀態變化過程，只要頻率和指令數量不變，工作能耗就維持在大致相仿的水平。但前面也提到了，低溫下飽和電流激增，因此充放電速度更快，可以支撐更高的工作頻率。這也是超頻用液氮降溫的主要意義之一。

這個回答一方面是針對有些回答說液氮溫度就壞了的，另外答案本身存在局限性：CPU封裝形式決定了其民品場合運用，不考慮這樣極端溫度的長期工作，因此比起核心die，PCB基板因受熱不均碎裂可能性更大。陶瓷基板則需要具體分析。因此我上面的這些想法只針對矽片本身。

做過一些液氮溫度附近的半導體性質研究，斗膽胡亂說幾句，請各位指正。

我來一本正經的扯犢子了。

拿液氮冷凍只是用液氮吸收CPU的熱量來降低CPU的溫度啊，並不是直接把cpu降低到液氮的溫度啊。

你這麼想，CPU要發熱，溫度上升。加液氮，溫度下降。如果恰當的控制液氮的進給量能讓CPU溫度保持你設定的溫度，比如－10℃。

舉個例子，你家開冷空調也沒給你家冷卻到冷媒介的溫度啊。

因為沒有什麼溫差啊。

你也說了，那麼小的晶體，有效的部分一共厚度能有幾微米就不錯了。那麼你是怎麼做到上下的溫度不一樣的呢？

水冷也不能直接往CPU上倒水啊……

先了解CPU在不同頻率下的電流，再根據封裝的熱阻計算封裝殼和Silicon的溫差，要保證Silicon溫度在工作溫度範圍內。

問題是介質不是直接作用於硅，不信你用水刀鋸開CPU橫截面可以看到有一層非常厚的金屬殼。再說了任何物體都會有形變，但是離開體積談形變不是耍流氓嗎?

冷卻系統本身應該包括測量溫度和維持溫度區間的系統。以汽車為例，溫度過了，水泵才啟動。

來材料化學實驗室，看我們每天用液氮處理多少矽片

難道這就是intel用硅脂而不是釺焊的原因，防止溫度過低？

不是作用在散熱片上嗎！

我也在想這個問題，如果液氮冷卻的早，那麼CPU會不會凍壞，太低的溫度，估計產品根本無法使用了。