電子產(chǎn)品散熱技術(shù)最新發(fā)展

admin 2011-08-26

電子產(chǎn)品散熱技術(shù)最新發(fā)展

高弘毅

最近幾年LSI、數(shù)碼相機(jī)、移動電話、筆記本電腦等電子產(chǎn)品，不斷朝高密度封裝與多功能化方向發(fā)展，散熱問題成為非常棘手的課題。LSI等電子組件若未作妥善的散熱處理，不但無法發(fā)揮LSI的性能，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐蓹C(jī)器內(nèi)部的熱量暴增等。然而目前不論是LSI組件廠商，或是下游的電子產(chǎn)品系統(tǒng)整合業(yè)者，對散熱問題大多處于摸索不知所措的狀態(tài)，有鑒于此，介紹一下國外各大公司散熱對策的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，深入探索散熱技術(shù)今后的發(fā)展動向，是很有必要的。

散熱技術(shù)的變遷

如圖1所示由于“漏電”問題使得LSI的散熱對策是系統(tǒng)整合的責(zé)任，這種傳統(tǒng)觀念正面臨極大的變革。此處所謂的漏電是指晶體管（ transistor）的source與drain之間，施加于leak電流的電源電壓大曉而言。理論上leak電力會隨著溫度上升不斷增加，如果未有效抑制熱量意味著leak電力會引發(fā)更多的熱量，造成leak電力持續(xù)上升惡性循環(huán)后果。
以Intel新推出的微處理器（micro process）而言，它的消費(fèi)電力之中60%～70%是屬于leak電力，一般認(rèn)為未來1～2年leak電力仍然扮演支配性角色。在此同時(shí)系統(tǒng)整合業(yè)者，由于單位體積的熱量不斷膨脹，使得如何將機(jī)器內(nèi)部的熱量排除更是雪上加霜，因此系統(tǒng)整合業(yè)者轉(zhuǎn)因而要求LSI組件廠商，提供有效的散熱對策參考模式，事實(shí)上Intel已經(jīng)察覺事態(tài)的嚴(yán)重
性，因此推出新型微處理器的同時(shí)，還提供下游系統(tǒng)整合業(yè)case，因此未來其他電子組件廠商未來勢必跟進(jìn)。
如上所述LSI等電子組件的散熱對策，成為電子業(yè)界高度囑目焦點(diǎn)，主要原因是電子產(chǎn)品性能快速提升所造成。以往計(jì)算機(jī)數(shù)字家電業(yè)者大多忽視漏電電力問題的存在，甚至采取增加電力的手法補(bǔ)償漏電電力造成的損失，電子產(chǎn)品散熱技術(shù)最新發(fā)展（上）圖1 電子組件散熱對策的變化趨勢

未來將變成優(yōu)先抑制熱量，以此提升產(chǎn)品的性能。
為了刺激消費(fèi)者購買筆記本電腦的意愿，LSI組件廠商不得不提高微處理器的動作頻率，電視與DVD業(yè)者也不干示弱，積極提升影像顯示器的影像處理能力，例如目前液晶電視顯示畫面時(shí)的輝度，已經(jīng)比以往提高兩倍，大約是380cd/m2左右。然而液晶電視與筆記本電腦最大差異，是消費(fèi)者要求筆記本計(jì)算機(jī)輕巧化高性能的同時(shí)，耗電量大幅增加使得單位體積的熱密度相對提高，DVD、數(shù)碼相機(jī)等電子產(chǎn)品，雖然同樣也面臨單位體積的熱密度問題，不過由于顯示畫素受到format的限制，因此記錄方式的規(guī)格變更與取像組件高畫素化，卻不因熱密度問題受到阻礙反而更快速進(jìn)步。等離子電視與液晶電視等平面顯示器的進(jìn)化，似乎也沒有因?yàn)闊崦芏葐栴}受到額外的干擾，相反的隨著平面顯示器的薄型化、高輝度化與大型化，反而更具備降低熱密度的條件。一般認(rèn)為由于因特網(wǎng)的普及化，可作互動溝通的通信產(chǎn)品與平面顯示器，未來有可能遭遇熱密度上升的挑戰(zhàn)，如此一來LSI電子組件的散熱對策會更加困難，因?yàn)闊崦芏忍岣咭馕吨峥臻g越小。
除此之外，電子組件的增加與靜音化勢必成為散熱對策時(shí)的附帶訴求（圖2）。
如圖3所示有熱能考慮的電子
組件大致上可分為會產(chǎn)生高熱量的電子組件和對熱很脆弱的電子組件兩種。
傳統(tǒng)觀念認(rèn)為所謂的散熱設(shè)計(jì)，只要妥善處理會產(chǎn)生高熱量的微處理器與其他電子組件即可，不過隨著電子產(chǎn)品多功能化，因此進(jìn)行高熱量的影像處理LSI、內(nèi)存等電子組件散熱設(shè)計(jì)的同時(shí)，也需要將對熱能很脆弱的電子組件列入考
慮，例如DVD的光學(xué)讀寫頭、數(shù)碼相機(jī)的CCD與CMOS等取像組件以及液晶面板等等，都是典型對熱能很脆弱的電子產(chǎn)品。
散熱靜音化
由于筆記本電腦散熱靜音化格外受到消費(fèi)者的重視，因此業(yè)者不得不采用更先進(jìn)的散熱技術(shù)。因?yàn)閭鹘y(tǒng)強(qiáng)制冷卻風(fēng)扇的噪音逐漸受到很嫌棄，進(jìn)而促成可快速散熱的石墨膜片((graphite sheet)，與利用pump作冷卻液循環(huán)的水冷式散熱
device成為市場新寵，其中又以噪音值低于30dB的水冷式散熱設(shè)計(jì)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各種電子產(chǎn)品，達(dá)成無冷卻風(fēng)扇超靜音的目標(biāo)，一般
認(rèn)為未來水冷式散熱設(shè)計(jì)可能會延伸至數(shù)字家電等領(lǐng)域。
如上所述無風(fēng)扇散熱設(shè)計(jì)雖然已經(jīng)成為筆記本電腦的主流，不過對大部分的系統(tǒng)整合業(yè)者而言，若無LSI組件廠商的協(xié)助，要達(dá)成無風(fēng)扇散熱設(shè)計(jì)顯然不太容易，因?yàn)橐酝鵏SI組件廠商只愿意
提供電子組件的最大消費(fèi)電力，圖3 需作散熱設(shè)計(jì)的電子組件圖2 散熱設(shè)計(jì)面臨的課題

然而系統(tǒng)整合業(yè)者進(jìn)行包含device在內(nèi)的散熱模擬分析（simulation）時(shí)，必需建立各種條件時(shí)的消費(fèi)電力模式，由于欠缺完整的組件
數(shù)據(jù)，業(yè)者無法獲得精確的數(shù)據(jù)。
這意味著未來LSI組件廠商與系統(tǒng)整合業(yè)者的互動會更加頻繁，必要時(shí)LSI組件廠商有責(zé)任提供有助散熱的附屬device，并推薦散熱設(shè)計(jì)模式。圖4是NEC開發(fā)的散熱仿真分析軟件應(yīng)用實(shí)例，根據(jù)NEC表示該散熱仿真分析軟件，該軟件不但可作LSI電子組件仿真分析，甚至系統(tǒng)的外筐散熱也能勝任。除此之外該公司同時(shí)還開發(fā)新型的水冷技術(shù)，該技術(shù)可使冷卻液在三次元積層的LSI各層循環(huán)，圖5是應(yīng)用這種新型水冷技術(shù)的二極管（diode）外型。

數(shù)字電子產(chǎn)品的散熱決定device散熱對策的要素有兩個(gè)：搭載device機(jī)器的單位體積消費(fèi)電力和成本的容許度。
單位體積的消費(fèi)電力，由于熱密度越大造成要在狹窄空間，要將更多的熱量排出筐體外部的散熱設(shè)計(jì)越不容易。成本的容許度，是指機(jī)器的價(jià)格越高，相對的散熱設(shè)計(jì)獲得的成本容許度越大，更有裕度采用成本較高的新型散熱技術(shù)。熱密度越高成本容許度越大的
產(chǎn)品，以筆記本電腦最具代表性；熱密度較低成本容許度較小的產(chǎn)品，類似數(shù)碼相機(jī)、DVD等；熱密度較低成本容許度極大的產(chǎn)品，則有等離子電視、大型液晶電視等平面顯示器。
由于筆記本電腦的散熱設(shè)計(jì)已經(jīng)締造先例，能同時(shí)滿足性能與成本兩大課題，因此今后勢必會對其他電子產(chǎn)品產(chǎn)生示范效應(yīng)。值得注意的靜音化散熱設(shè)計(jì)的加入，尤其是新型筆記本電腦大多采用無冷卻風(fēng)扇設(shè)計(jì)，使得冷卻風(fēng)扇的生存空間，可能會遭受潰散性的壓縮。例如松下與SONY基于筆記本電腦輕巧化考慮，率先采用熱擴(kuò)散性極高的石墨膜片，進(jìn)而達(dá)成無冷卻風(fēng)扇散熱設(shè)計(jì)。
松下的筆記本電腦使用動作頻率為1.2GHz，12W的微處理器利用石墨膜片作散熱，該石墨膜片與鋁形成復(fù)合化以此改善彎曲加工，同時(shí)再用鋁壓著加工技術(shù)將石墨膜片周圍密封，防止石墨膜
片發(fā)生粉塵影響外觀（圖6）。微處理器產(chǎn)生的熱量可以擴(kuò)散至石墨膜片，并傳導(dǎo)至鍵盤背部與外筐排至外部，這種新型散熱機(jī)構(gòu)的重量，比傳統(tǒng)冷卻風(fēng)扇散熱設(shè)計(jì)減少15g，14英寸SXGA液晶面板+DVD-ROM之后的整體重量只有1499g。

SONY的筆記本電腦使用7W的微處理器，它是利用設(shè)于主機(jī)板(mother board上下方的石墨膜片，將微處理器產(chǎn)生的熱量擴(kuò)散至外筐散熱。根據(jù)SONY表示該散熱機(jī)構(gòu)的重量比傳統(tǒng)冷卻風(fēng)扇散熱設(shè)計(jì)減少一半，成本則完全相
同（圖7）。至于30W以上高階筆記本電腦，若單純利用石墨膜片散熱，可能無法達(dá)成預(yù)期效果，基于散熱性能比輕巧化更重要等考慮，因此日立公司在2002年9月推出全球首度使用水冷模塊的筆記本電腦，雖然事后并沒有其他業(yè)者跟進(jìn)，不過隨著微處理器的消費(fèi)電力不斷刷新，使得冷卻風(fēng)扇的噪音問題再度受到相關(guān)業(yè)者的注意。NEC開發(fā)筆記本電腦專用超
薄型水冷模塊，該水冷模塊為達(dá)成靜音特目標(biāo)，采用厚度只有5mm的壓電pump，模塊內(nèi)部設(shè)有循環(huán)水路的鋁質(zhì)散熱板厚度低于3mm，圖8是水冷模塊的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用實(shí)例。有關(guān)水冷模塊冷卻液的
揮發(fā)性，由于該模塊采用液體穿透性極低的材料，同時(shí)提高模塊的密封性，因此可以有效減少冷卻液的揮發(fā)，使得冷卻液補(bǔ)充槽的體積只有以往的1/10左右。東芝

試作的水冷模塊可將微處理器的熱量，擴(kuò)散至設(shè)于液晶面板背面的散熱板（圖9）。該公司認(rèn)為這種方式未來會成為高階筆記本電腦的散熱設(shè)計(jì)主流，因此預(yù)定2004年推出水冷式筆記本電腦。
事實(shí)上全球首度使用水冷模塊的日立公司，也堅(jiān)信30W以上靜音高階筆記本電腦，除了水冷方式?jīng)]有其它方法可供選擇。