9电子产品散热技术最新发展

1、散热设计(九)电子产品散热技术最新发展晨怡热管日期:2005-11-623:45:04来源：电子设计资源网查看:大中小作者：刘君恺热度：最近几年包含LSI、数字相机、行动电话、笔记型计算机等电子产品，不断朝高密度封装与多功能化方向发展，使得散热问题成为非常棘手的课题，其中又以LSI等电子组件若未作妥善的散热对策，不彳!无法发挥LSI的性能，严重时甚至会造成机器内部的热量暴增等后果。然而目前不论是LSI组件厂商，或是下游的电子产品系统整合业者，对散热问题大多处于摸索不知所措的状态，有鉴于此本文将介绍国外各大公司，针对电子产品实施的散热对策实际经验，同时还要深入探索散热技术今后的发展动向。散热技术

2、的变迁如图1所示由于漏电问题使得LSI的散热对策是系统整合的责任，这种传统观念正面临极大的变革。此处所谓的漏电是指晶体管(transistor)的source与drain之间，施加于leak电流的电源电压大晓而言。理论上leak电力会随着温度上升不断增加，如果未有效抑制热量意味着leak电力会引发更多的热量，造成leak电力持续上升恶性循环后果。以Intel新推出的微处理器(microprocess)而言，它的消费电力之中60%70%是属于leak电力，一般认为未来12年leak电力仍然扮演支配性角色。在此同时系统整合业者，由于单位体积的热量不断膨胀，使得如何将机器内部的热量排除更是雪上加霜，

3、因此系统整合业者转因而要求LSI组件厂商，提供有效的散热对策参考模式，事实上Intel已经察觉事态的严重性，因此推出新型微处理器的同时，还提供下游系统整合业者有关LSI散热设计的modelcase,因此未来其它电子组件厂商未来势必跟进。leak甯力leak甯力演支配性角色/I一充独簟重力2aM200B122010龄通!如何抑制莪熟以往:奏由系铳装者自行虚理今接二元件麻商全力支援图1电子组件散热对策的变化趋势如上所述LSI等电子组件的散热对策，成为电子业界高度嘱目焦点，主要原因是电子产品性能快速提升所造成。以往计算机与数字家电业者大多忽视漏电电力问题的存在，甚至采取增加电力的手法补偿漏电电力造成

4、的损失，未来将变成优先抑制热量，藉此提升产品的性能等方向发展（图2）。50，Mse型鼐的热密度M5数位相槌的熟史度商品化畤期。a20045液晶露的热密度200220032004商品化畤期i2001图2电子产品单位体积的热密度变化趋势为了刺激消费者更换笔记型计算机的意愿，LSI组件厂商不得不提高微处理器的动作频率，电视与DVD业者也不干示弱，积极提升影像显示器的影像处理能力，例如目前液晶电视显示画面时的辉度，已经比以往提高二倍，大约是380cd/m2左右。然而液晶电视与笔记型计算机最大差异，是消费者要求笔记型计算机轻巧化高性能的同时，耗电量大幅增加使得单位体积的热密度相对提高，DVD、数字相机等

5、电子产品，虽然同样也面临单位体积的热密度问题，不过由于显示画素受到format的限制，因此记录方式的规格变更与取像组件高画素化，却不因热密度问题受到阻碍反而更快速进步。电浆电视与液晶电视等平面显示器的进化，似乎也没有因为热密度问题受到额外的干扰，相反的随着平面显示器的薄型化、高辉度化与大型化，反而更具备降低热密度的条件。一般认为由于因特网的普及化，可作互动沟通的通信产品与平面显示器，未来有可能遭遇热密度上升的挑战，如此一来LSI电子组件的散热对策会更加困难，因为热密度提高意味着散热空间越小。除此之外，电子组件的增加与静音化势必成为散热对策时的附带诉求（图3）。罩位财的酸密度颗可强碓品不可有怪巽

6、裁图3散热设计面临的课题如图4所示有热能考量的电子组件大致上可分为两种，分别是： .会产生高热量的电子组件。 .对热很脆弱的电子组件。传统观念认为所谓的散热设计，只要妥善处理会产生高热量的微处理器与其它电子组件即可，不过随着电子产品多功能化，因此进行高热量的影像处理LSI、内存等电子组件散热设计的同时，也需要将对热能很脆弱的电子组件列入考虑，例如DVD的光学读写头、数字相机的CCD与CMOS等取像组件以及液晶面板等等，都是典型对热能很脆弱的电子产品。0CI鹤祥封熟很卿的誉元件液晶面板图4需作散热设计的电子组件散热静音化由于笔记型计算机散热静音化格外受到消费者的重视，因此业者不得不采用更先进的散

7、热技术（图5）。因为传统强制冷却风扇的噪音逐渐受到很嫌弃，进而促成可快速散热的石墨膜片（graphitesheet）,与利用pump作冷却液循环的水冷式散热device成为市场新宠，其中又以噪音值低于30dB的水冷式散热设计（图6）,已经广泛应用在各种电子产品，达成无冷却风扇超静音的目标，一般认为未来水冷式散热设计可能会延伸至数字家电等领域。AL或AL+Cu的beatsink散期AL+heaipipe消普雷力，盆熟密度.120032004班叫年）图5笔记型计算机的散热技术发展趋势使用冷却凰扇（奥其它冷却方式弼合）第6己型富脑（馨巧鳖）载0-电配（高性能型）未使用冷和题扇PC伺服楣高喈间服槌卡1

8、00微虐理器的消音电力，门图6笔记型计算机的散热技术发展趋势如上所述无风扇散热设计虽然已经成为笔记型计算机的主流，不过对大部份的系统整合业者而言，若无LSI组件厂商的协助，要达成无风扇散热设计显然不太容易，因为以往LSI组件厂商只愿意提供电子组件的最大消费电力，然而系统整合业者进行包含device在内的散热模拟分析（simulation）时，必需建立各种条件时的消费电力模式，由于欠缺完整的组件数据，使得业者无法获得精确的数据。这意味着未来LSI组件厂商与系统整合业者的互动会更加频繁，必要时LSI组件厂商有责任提供有助散热的附属device,并推荐散热设计模式。图7是NEC开发的散热仿真分析软件

9、应用实例，根据NEC表示该散热仿真分析软件，该软件不但可作LSI电子组件仿真分析，甚至系统的外筐散热也能胜任。除此之外该公司同时还开发新型的水冷技术，该技术可使冷却液在三次元积层的LSI各层循环，图8是应用这种新型水冷技术的二极管（diode）外观与特性。(外熟模隔分析4)可支援三次元LSI的水冷程锢图7散热仿真分析软件应用实例140值旧AicdaJ200400600蹴K秒）(b)散热特性图8使用新型散热技术的二极管数字电子产品的散热决定device散热对策的要素有两个，分别是(a) .搭载device机器的单位体积消费电力(b) .成本的容许度。有关(a)项单位体积的消费电力，由于热密度越大

10、造成要在狭窄空间，要将更多的热量排出筐体外部的散热设计越不容易。有关(b)项成本的容许度，是指机器的价格越高，相对的散热设计获得的成本容许度越大，更有裕度采用成本较高的新型散热技术。图9是根据以上的观点制成的散热设计approach,由图可知热密度越高成本容许度越大的产品，以笔记型计算机最具代表性；热密度较低成本容许度较小的产品，类似数字相机、DVD等等都是它的范畴；热密度较低成本容许度极大的产品，则有电浆电视、大型液晶电视等平面显示器。延用僧祕技成本容静度r平面霜祝NB-FC图9散热设计的approach由于笔记型计算机的散热设计已经缔造先例，能同时满足性能与成本两大课题，因此今后势必会对其

11、它电子产品产生示范效应。值得注意的静音化散热设计的加入，尤其是新型笔记型计算机大多采用无冷却风扇设计，使得冷却风扇的生存空间，可能会遭受溃散性的压缩。例如松下与SONY基于笔记型计算机轻巧化考量，率先采用热扩散性极高的石墨膜片，进而达成无冷却风扇散热设计。松下的笔记型计算机使用动作频率为1.2GHz,12W的微处理器利用石墨膜片作散热，该石墨膜片与铝形成复合化藉此改善弯曲加工性，同时再用铝压着加工技术将石墨膜片周围密封，防止石墨膜片发生粉尘影响外观(图10)o微处理器产生的热量可以扩散至石墨膜片，并传导至键盘背部与外筐排至外部，这种新型散热机构的重量，比传统冷却风扇散热设计减少15g,14口寸

12、SXGA液晶面板+DVD-ROM之后的整体重量只有1499g。SONY的笔记型计算机使用7W的微处理器，它是利用设于主机板（motherboard上下方的石墨膜片，将微处理器产生的热量扩散至外筐散热。根据SONY表示该散热机构的重量比传统冷却风扇散热设计减少一半，成本则完全相同（图11）。（GNB-PC的外繇石里膜片（b）NE-PC的内部藉情S）石墨膜片的外图10无冷却风扇的笔记型计算机（松下）石里膜片a)NB-W的外翻(t)NB-PC的内部籍椿S)石墨膜片的外痛图11无冷却风扇的笔记型计算机(SONY)至于30W以上高阶笔记型计算机，若单纯利用石墨膜片散热，可能无法达成预期效果，基于散热性能

13、比轻巧化更重要等考量，因此日立公司在2002年9月推出全球首度使用水冷模块的笔记型计算机，虽然事后并没有其它业者跟进，不过随着微处理器的消费电力不断刷新，使得冷却风扇的噪音问题再度受到相关业者的注意。NEC开发笔记型计算机专用超薄型水冷模块，该水冷模块为达成静音特目标，采用厚度只有5mm的压电pump,模块内部设有循环水路的铝质散热板厚度低于3mm,图12是水冷模块的结构与应用实例。有关水冷模块冷却液的挥发性，由于该模块采用液体穿透性极低的材料，同时提高模块的密封性，因此可以有效减少冷却液的挥发，使得冷却液补充槽的体积只有以往的1/10左右。东芝试作的水冷模块可将微处理器的热量，扩散至设于液晶

14、面板背面的散热板(图13)。该公司认为这种方式未来会成为高阶笔记型计算机的散热设计主流，因此预定2004年推出水冷式笔记型计算机。事实上全球首度使用水冷模块的日立公司，也坚信30W以上静音高阶笔记型计算机，除了水冷方式没有其它方法可供选择，因此计划未来将全力推广水冷模块(图14)otanli:BOW*即水整f口4叫冷却慢造冷却肌扇*,*»tank'(Q水冷模的精造相同的冷霹空筒.(4则期冷和肌扇可冷加401的釉量23nHTr整股可冷却再4。(b)NB-PC的内部籍橇fin性电元件川雷源冷若噬精充精S)空冷典冰冷的冷加特性比戴图12无冷却风扇的笔记型计算机(SONY)(a)NB

15、-PC的外Cb）散熟模糊的外冷割液捕充槽图14内设水冷模块的笔记型计算机日本旧M基于可靠性优先等考量仍然采用空冷方式，它是利用小型heatpipe与冷却风扇的克也交挟器L图13内设水冷模块的笔记型计算机tube*1-pump1（c）水冷模能望冒己型甯胭的椅道幅部板（榭脂）港晶面板背面（榭脂）frontpl&ie榭脂)K陶蹄板阳脂）熟交噢管前交操器组合，将微处理器产生的热量排至外部。该公司在2003年4月推出动作频率为3.06GHz微处理器的膝上型计算机，就是采用冷却性能比heatpipe更高的vapor与冷却风扇构成的散热器，这种新型散热器可将消费电力为84W的微处理器的热量排至机体外

16、部(图15)。旧M未采用水冷方式的理由有两项，第一是可靠性问题，由于pump等组件数量增加，不但可靠性令人质疑，而且还会成本上升等后果；第二是采用水冷方式整体设计自由度相对受到限制，因为水冷模块必需附设热交换器，为了获得最佳化散热效率，反而造成其它单元的layout受到极大限制。有关冷却风扇的噪音，旧M认为冷却风扇的大型化可以降低转速，进而减缓旋转造成的噪音，不过该公司也承认未来必需开发空冷以外的新技术。(a)NE-PC的外Cuplate*-'Cuplfite1僧统皓播'新运辐楷一(o)vfiLporchamber内部鞋揭图15内设vaporchamber的笔记型计算机(IBM

17、)随着数字摄影机的CCD画素增加与记录媒体的进步，轻巧小型已经成为无法避免的潮流趋势，类似上述数字产品属于可携式精密电子设备，所以防尘、防水的密封性，以及防止记录时噪音混入都是必备特性，换言之未来无冷却风扇的散热设计，势必成为市场主流。日立公司针对DVD读写头的散热设计进行整体检讨，采用全新组件控制温度，藉此稳定雷射的输出，使读写头的温度能抑制于70°C以下。该公司的散热对策可分为三大项，分别是：（1） .将基板产生的热量扩散至外筐散热。（2） .利用遮屏将高发热基板与读写头隔离。（3） .将基板与基板物理性距离分隔。有关第（一）项，将热量扩散至外筐散热，具体方法是使用铜质板材外筐。

18、有关第（二）项，隔离高发热基板与读写，具体方法是使用薛锈钢遮屏，藉此减少热量传导至读写头。第（一）项述及的铜质板材外筐厚度与形状，根据日立表示经过最佳化模拟分析，成本可降至石墨膜片的1/5以下（图16）。JVC新推出的高画质数字摄影机，由于消费电力从以往的23W暴增至9.7W,加上摄影机使用MPEG压缩/解压缩单芯片LSI,传统铜质外筐显然无法有效达成散热要求，因此改采小型heatpipe（图17）,根据实验结果小型heatpipe可使上述LSI的1060c工作温度降至660C以下。SONY的211万画素数字摄影机，基于小型化与CCD取像组件散热等考量，同样是使用小型heatpipe,将CCD

19、的热量传至铝质frame,进而获得铜板无法比拟的热传导效率（图18）。有关平面显示器（FPD:FlatPanelDisplay）的散热设计，不论是液晶电视与电浆电视，目前大多延用传统散热方法，不过内建tuner基板，亦即所谓的tuner一体型FPDTV,未来若要达成无冷却风扇目标，tuner基板上的组件散热对策就非常重要。SHARP的液晶电视，设计阶段便非常积极利用热模拟分析，仔细评估主要组件的实际动作温度，并检讨各电路板冷却设计，试图藉此手法事先防范散热问题（图19）。根据SHARP表示经过散热方K拟分析的tuner一体型FPDTV,两个冷却风扇可减少一个，散热效果则完全相同。PIONEER

20、的tuner分离式电浆电视背部，则是采取两层铝板接合结构，藉此使铝板表面积增加二倍，进而获得与heatsink相同效果，同时还可以使面板产生的热量均等化（图20）。有关行动电话的散热设计，由于目前的机型使用的LSI消费电力较低，所以还没有急迫性的散热问题，不过随着3G的普及化，动画摄影记录、传输功能的加入，以及轻巧薄型化的市场需求,一般认为业者迟早会面临散热设计的挑战。外建空汽S）熟根散熟轲第的模式化（U数位搦影楣的内部纪椿印刷重蹈后（口）熟模隔分析的籍果图16数字摄影机的散热设计实例（日立）数位撮影榔勺内部散熟籍横heatpipe图18数字摄影机的散热设计实例(SONY)畤程外电提前冷却方式

21、1路基板I殳塞查。S)散委据殳步骤outputjiirput1目血露百寸口。轲口3；.法定外电一榜非演口st形状舄善避科散船析出状修正案H郭捏攥分析：空家流勃ifeM内理给三十元件耗电量基板概畴尺寸，耨整排赢口位置尺寸；修正部?TC件茕电量.基板概略尺寸，*靠城里曲原款地板形状。基丽概gset大小|需W寸y二内部上涧jLI荃板景翔强科，'概畴捏摞分析.，空片潞劲、格讨内部热计:排籁口面海；散解而稽/宣瞬、际修(b)熟楔凝分析最佳化if前9)熟模擦分析最佳化鄙X错果()图19液晶电视散热设计步骤与热仿真分析实例图20电浆电视背面无冷却风扇设计实例水冷pump的发展动向21pump在水冷模

22、块内负责冷却液的循环，因此pump对水冷模块整体性能具有决定性影响。所示的新型水冷pump是用高分子制成的actuator,因此可以有效消除动作噪音。该高分子actuator素材与电子组件常用的防静电polypyrrole完全相同，属于导电性高分子材料,制作时利用条件与境基的最佳化可以提高分子材料的伸缩性，即使作成薄膜时亦能保持一定强度。（。音分子如期的外繇论）障列歌疆勤部项目新型高分子pump压电式pump离心式pum动作噪音无数十dB数十dB驱动电压（v）12(DC)100(AC)1以上（DC）驱动频率(Hz)5以下数十kHz数十kHz最大吐出压(kPa)20202最大吐出量(ml/分)4

23、530100pump体积(cm3)172733图21高分子actuator构成的水冷pump施加电压时高分子材料的伸缩率为40%,远比传统材料的3%高13倍左右。伸缩率为2040%高伸缩率type的发生力为50kgf/cm2,伸缩率为1215%的高伸缩率type发生力更高达200kgf/cm2,相当于人体肌肉的100倍可以左右，即使如此pump动作时几乎完全不会产生任何动作噪音。由两片导电性高分子膜片的伸缩动作构成的驱动部，1Hz的驱动频率，亦能维持充分的吐出性能。传统压电pump的压电陶瓷变位量比新型高分子pump小二位数，为获得相同的吐出量，因此动作频率必需高达数十Hz数十kHz,其结果造成动作噪音随着动作频率增加；利用电磁马达驱动的离心pump也有马达旋转噪音的问题。相较之下新型高分子pump的驱动电压只有2V,而且不需压电pump的升压回路，所以构造非常简洁。若要增加吐出量或是吐出压力，只需将伸缩部位并列化就可依照设计需求随意变更，例如外形70mm正方的空