9电子产品散热技术最新发展

散热设计（九）电子产品散热技术最新发展晨怡热管/news/42/2006-10-2 1:29:47

日期:2005-11-6 23:45:04 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，不但无法发挥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(micro process)而言，它的消费电力之中60%～70%是属于leak电力，一般认为未来1～2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，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model case，因此未来其它电子组件厂商未来势必跟进。

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)。

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)。

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:

①.会产生高热量的电子组件。

②.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。

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((graphite sheet)，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。

图5 笔记型计算机的散热技术发展趋势

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。

图7 散热仿真分析软件应用实例

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。

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)。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吋SXGA液晶面板+DVD-ROM之后的整体重量只有1499g。