電子產品散熱技術最新發展

admin 2011-08-26

電子產品散熱技術最新發展

高弘毅

最近幾年LSI、數碼相機、移動電話、筆記本電腦等電子產品，不斷朝高密度封裝與多功能化方向發展，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，不但無法發揮LSI的性能，嚴重時甚至會造成機器內部的熱量暴增等。然而目前不論是LSI組件廠商，或是下游的電子產品系統整合業者，對散熱問題大多處于摸索不知所措的狀態，有鑒于此，介紹一下國外各大公司散熱對策的實際經驗，深入探索散熱技術今后的發展動向，是很有必要的。

散熱技術的變遷

如圖1所示由于“漏電”問題使得LSI的散熱對策是系統整合的責任，這種傳統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電力會引發更多的熱量，造成leak電力持續上升惡性循環后果。
以Intel新推出的微處理器（micro process）而言，它的消費電力之中60%～70%是屬于leak電力，一般認為未來1～2年leak電力仍然扮演支配性角色。在此同時系統整合業者，由于單位體積的熱量不斷膨脹，使得如何將機器內部的熱量排除更是雪上加霜，因此系統整合業者轉因而要求LSI組件廠商，提供有效的散熱對策參考模式，事實上Intel已經察覺事態的嚴重
性，因此推出新型微處理器的同時，還提供下游系統整合業case，因此未來其他電子組件廠商未來勢必跟進。
如上所述LSI等電子組件的散熱對策，成為電子業界高度囑目焦點，主要原因是電子產品性能快速提升所造成。以往計算機數字家電業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償漏電電力造成的損失，電子產品散熱技術最新發展（上）圖1 電子組件散熱對策的變化趨勢

未來將變成優先抑制熱量，以此提升產品的性能。
為了刺激消費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的輝度，已經比以往提高兩倍，大約是380cd/m2左右。然而液晶電視與筆記本電腦最大差異，是消費者要求筆記本計算機輕巧化高性能的同時，耗電量大幅增加使得單位體積的熱密度相對提高，DVD、數碼相機等電子產品，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步。等離子電視與液晶電視等平面顯示器的進化，似乎也沒有因為熱密度問題受到額外的干擾，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。一般認為由于因特網的普及化，可作互動溝通的通信產品與平面顯示器，未來有可能遭遇熱密度上升的挑戰，如此一來LSI電子組件的散熱對策會更加困難，因為熱密度提高意味著散熱空間越小。
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生高熱量的電子組件和對熱很脆弱的電子組件兩種。
傳統觀念認為所謂的散熱設計，只要妥善處理會產生高熱量的微處理器與其他電子組件即可，不過隨著電子產品多功能化，因此進行高熱量的影像處理LSI、內存等電子組件散熱設計的同時，也需要將對熱能很脆弱的電子組件列入考
慮，例如DVD的光學讀寫頭、數碼相機的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品。
散熱靜音化
由于筆記本電腦散熱靜音化格外受到消費者的重視，因此業者不得不采用更先進的散熱技術。因為傳統強制冷卻風扇的噪音逐漸受到很嫌棄，進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的水冷式散熱設計，已經廣泛應用在各種電子產品，達成無冷卻風扇超靜音的目標，一般
認為未來水冷式散熱設計可能會延伸至數字家電等領域。
如上所述無風扇散熱設計雖然已經成為筆記本電腦的主流，不過對大部分的系統整合業者而言，若無LSI組件廠商的協助，要達成無風扇散熱設計顯然不太容易，因為以往LSI組件廠商只愿意
提供電子組件的最大消費電力，圖3 需作散熱設計的電子組件圖2 散熱設計面臨的課題

然而系統整合業者進行包含device在內的散熱模擬分析（simulation）時，必需建立各種條件時的消費電力模式，由于欠缺完整的組件
數據，業者無法獲得精確的數據。
這意味著未來LSI組件廠商與系統整合業者的互動會更加頻繁，必要時LSI組件廠商有責任提供有助散熱的附屬device，并推薦散熱設計模式。圖4是NEC開發的散熱仿真分析軟件應用實例，根據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，甚至系統的外筐散熱也能勝任。除此之外該公司同時還開發新型的水冷技術，該技術可使冷卻液在三次元積層的LSI各層循環，圖5是應用這種新型水冷技術的二極管（diode）外型。

數字電子產品的散熱決定device散熱對策的要素有兩個：搭載device機器的單位體積消費電力和成本的容許度。
單位體積的消費電力，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計越不容易。成本的容許度，是指機器的價格越高，相對的散熱設計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。熱密度越高成本容許度越大的
產品，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品，類似數碼相機、DVD等；熱密度較低成本容許度極大的產品，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計已經締造先例，能同時滿足性能與成本兩大課題，因此今后勢必會對其他電子產品產生示范效應。值得注意的靜音化散熱設計的加入，尤其是新型筆記本電腦大多采用無冷卻風扇設計，使得冷卻風扇的生存空間，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，率先采用熱擴散性極高的石墨膜片，進而達成無冷卻風扇散熱設計。
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合化以此改善彎曲加工，同時再用鋁壓著加工技術將石墨膜片周圍密封，防止石墨膜
片發生粉塵影響外觀（圖6）。微處理器產生的熱量可以擴散至石墨膜片，并傳導至鍵盤背部與外筐排至外部，這種新型散熱機構的重量，比傳統冷卻風扇散熱設計減少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，它是利用設于主機板(mother board上下方的石墨膜片，將微處理器產生的熱量擴散至外筐散熱。根據SONY表示該散熱機構的重量比傳統冷卻風扇散熱設計減少一半，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，可能無法達成預期效果，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者跟進，不過隨著微處理器的消費電力不斷刷新，使得冷卻風扇的噪音問題再度受到相關業者的注意。NEC開發筆記本電腦專用超
薄型水冷模塊，該水冷模塊為達成靜音特目標，采用厚度只有5mm的壓電pump，模塊內部設有循環水路的鋁質散熱板厚度低于3mm，圖8是水冷模塊的結構與應用實例。有關水冷模塊冷卻液的
揮發性，由于該模塊采用液體穿透性極低的材料，同時提高模塊的密封性，因此可以有效減少冷卻液的揮發，使得冷卻液補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，擴散至設于液晶面板背面的散熱板（圖9）。該公司認為這種方式未來會成為高階筆記本電腦的散熱設計主流，因此預定2004年推出水冷式筆記本電腦。
事實上全球首度使用水冷模塊的日立公司，也堅信30W以上靜音高階筆記本電腦，除了水冷方式沒有其它方法可供選擇。