系统散热讲义
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引入熱管及水冷系統用以快速將熱量轉移﹔增加機箱 外殼的散熱效能。
近期開發重點
＊水冷式散熱系統組件： 微型抽水馬達 儲水槽 管線 水冷器 風扇
近期開發重點
＊導熱管及均熱板(Heat Pipe & Chamber)：
未來產品─微冷卻器
微熱交換器 微冷凍機 微流道熱沉 微熱管 微型空調系統
系統散熱問題
機箱散熱機制： 電源 系統風扇 開孔大小及位置 機箱外殼材料
風扇的死角
所謂風扇死角是指風扇置於某些角度情況下不能依規定電 壓啟動。測試方法就是將風扇各極依序調整置於霍爾IC之 前，然後將電壓緩慢調高直到啟動，若各極在小於規定電 壓值之前啟動，代 表合格，若有高低差異，啟動電壓超出 規定者，稱為死角。 影響的因素： 橡膠磁鐵各極充磁不均 ﹔ 霍爾IC感應靈敏度太差 ； 橡膠磁鐵充磁磁場太弱 。
Cooler的主要目的是降低CPU的溫度，它僅是提供一溫 度差(Tc - Ta)，當系統環境溫度過高時，CPU的溫度也 會相對提高，此時改善散熱器的效能僅是延緩CPU溫度 的快速升溫趨勢，對整體機箱的穩定性並無幫助。
考量系統散熱的工作重點在於如何有效置換機箱內部與 外界的空氣交換。
電源及系統風扇組合
不當開孔設計： 從系統風扇開孔處引進 的風很容易直接被電源 風扇抽走，此外電源排 出的熱風容易經過此開 孔處再次被引入。 實驗經驗： 系統風扇開孔處的入風 溫度約高於恆溫恆濕機 兩度。 將此開孔封閉一般Tc溫 度約降一至二度。
電源及系統風扇組合
搶風問題： 按現有機箱結構造成 cooler風扇和電源風扇 及系統風扇同時搶風 現象。
散熱片的新製程
＊折彎型 ( Folding Fins ) ： 將薄板片折呈鰭片排列形狀，再用硬焊或錫焊方式 與擠形過或機械加工過底板相結合成一散熱片。 優點─可作高細長比的散熱片，鰭片部分是一體折 彎成型，有利於熱傳導之連續性，具有不同散熱材 料組合的彈性。 缺點─依然有額外的界面阻抗及不易建構緊密排列 之細間散熱片。
電子系統的散熱問題
電腦中的主要熱源： 中央處理器(CPU) 南北橋晶片(Chip Set) 圖形處理器(GPU) 記憶體(Memory Set) 硬盤(HD) 電源(Power Supply) 其他 散熱的處理原則： 按照能量不滅定律，熱不會消失，僅是轉移至它處。
Cooler簡易示意圖
扣具 風扇 上蓋 散熱片 支架 背板
風扇運算的基本原理
DC風扇運轉原理： 根據安培右手定則，導體通過電流，周圍會產生磁場 ，若將此導體置於另一固定磁場中，則將產生吸力或 斥力，造成物體移動。在直流風扇的扇葉內部，附著 一事先充有磁性之橡膠磁鐵。環繞著矽鋼片，軸心部 份纏繞兩組線圈，並使用霍爾感應元件作為同步偵測 裝置，控制一組電路，該電路使纏繞軸心的兩組線圈 輪流工作。矽鋼片產生不同磁極，此磁極與橡膠磁鐵 產生吸斥力。當吸斥力大於虱扇的靜摩擦力時，扇葉 自然轉動。由於霍爾感應元件提供同步信號，扇葉因 此得以持續運轉，至於其運轉方向，可依佛萊明右手 定則決定。
風扇的充磁極數
極數多代表磁場變化速度快，磁場變化速度快代表頻率增加 ，頻率增加一方面提高矽鋼片能量轉換效率，使相同電流值 能作較多的功，得到較高轉速，所以，轉速與極數係成正比 關係。
風扇性能
P & Q CURVE 實驗資料-2800rpm 實驗資料-4200rpm 5
Air Pressure (mm H2O)
散熱片的新製程
＊金屬粉末射出成型 ( MIM Fins ) ： 應用在散熱片製造上，主要著眼於有些高熔點，高熱 傳導的材料，如Cu，Cu-W，不易用上述幾種製程予 以一體成型。直接作成散熱片型式之初胚，接著再利 用高溫燒結成具有強度與高密度的成品。 優點─可將高熱倒的銅粉末直接一體成型出高效能的 散熱片，適合用在高發熱密度並受限於空間限 制的電子元件上，熱阻抗值比鋁材低很多。 缺點─原料成本較昂貴，產品良率較其他製程低。
鰭片作用原理
高效能的散熱 ＝熱傳係數Ｘ散熱面積Ｘ溫度差
*熱傳係數： 材料性質，幾何形狀， 流場狀況 *散熱面積： 製造加工方式，幾何形狀 *溫度差： 幾何形狀，流場狀況
鰭片散熱途徑
*熱傳導： 固體部分，鰭片的材質( 鋁 => 銅 => ? ) 結合方式 ( Epoxy => Solder => Brazing => ? ) *熱對流： 風扇的效能 ( 60 => 70 => 80 => ? ) *熱輻射： 溫度差的自發性反應 ( X ) *沸騰，蒸發： 熱管, VLeabharlann Baidupor Chamber
實驗資料-3600rpm 實驗資料-4500rpm
Q正比 (轉速) P正比 (轉速^2) Q正比 (風扇尺寸^3) P正比 (風扇尺寸^2)
4 3 2 1 0
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40
風扇的改變： 轉速及尺寸增加
Air Flow (CFM)
風扇的類型
*軸流扇：高流量 *離心扇：高靜壓
風扇轉速測量原理
檢測RPM完全基於風扇底三導（白色線）F.G (Frequency Generation output) 輸出測量，跟據 輸出的高低電平及頻率幅度，BIOS取觸發信號 （相當於一個計數器）， 然後再根據風扇充磁極數 決定其周期頻率和RPM 。
風扇的啟動電壓
啟動電壓意即風扇最低運轉工作 電壓，是比較風扇優劣 的一項特性，通常淨摩擦系數較低的風扇，以及配台較 低工作電壓的霍爾IC才能使風扇用較低的電壓來啟動。 影響的因素： 繞線設計是否恰當﹔矽鋼片磁滯損失大小 ﹔ 霍爾lC的最低工作電壓 ﹔電晶體放大倍數高低 ﹔ 橡膠磁鐵的充磁強度 ﹔.扇葉的重量 ﹔ .軸承的摩擦系數高低 ﹔電晶體飽和電壓高低 ﹔ 是否有反向保護二極體。
CPU Cooler 熱阻之定義
Ta
R total = R CPU + R Contact + R Cooler
R total = 總熱阻 = (Tc - Ta) ／ Q
R CPU = CPU熱阻
R Contact = CPU至鰭片之接觸熱阻 R Cooler = Cooler熱阻 Tc
熱阻計算公式
散熱片的新製程
＊接合型 ( Bonding Fins ) ： 利用鋁擠型擠出有溝槽的散熱片底板，同時將鋁板片 或銅板片作成一片片的鰭片，接著將每片鰭片插入散 熱片底板的溝槽上，再利用導熱黏膠或銲錫將兩者接 合起來。
優點─細長比可達60倍以上，鰭片可選擇不同材料。 缺點─銲接效果難控制，造成界面阻抗增加，且接合 強度亦影響產品之可靠性。
散熱片的新製程
＊機械加工型 ( Machining Fins ) ： 直接由金屬塊將材料加工成具有鰭片間隙的散熱片型 式。通常是在CNC機台上以GangSaw刀具來加工製造 散熱片，此刀具具有多重精密排列的鋸輪。 優點─適用於高性能散熱片的製造，如銅散熱片加工 ，且容易自動化。 缺點─加工過程中易造成鰭片損害和變形問題，同時 產生大量廢料與材料耗損，較不具生產性。
Tc – Ta = Q
Kcu Acu ΔXcu
+
Q 1 / R grease 散熱膏
+
Q
K Al A Al ΔX Al
+ 熱
Q H convection A Al 片
CPU
散
R tot =
Tc – Ta Q
= R cpu + R grease + R cooler
鰭片設計重點
*總體積尺寸 *材料 *底板厚度 *鰭片形狀 *鰭片厚度 *鰭片間距 *鰭片長度 *鰭片／底板之結合材料
鰭片效能因子
*熱對流強度或鰭片面積 *鰭片所具有的熱傳導面積 *風扇壓力損失 *底板的熱擴散性
鰭片其他設計考量
*製造生產的困難度 ─鰭片的細長比 ─Fin-to-Fin間距 ─鰭片/底板之結合材料 *重量 *價格
傳統散熱片製程說明
＊鋁擠型： 主要材料為鋁6063，傳導率約在160～180 W/mK ，易加工，限制在於散熱鰭片之細長比有其限制 (<15)，無法在有限空間下大量增加散熱面積。 ＊壓鑄型： 可作成複雜形狀的導流設計，能做出薄且密的鰭 片，以增加散熱面積。常用的壓鑄合金為ADC12 ，但熱傳導性較差(96W/mK)。
導致現象： 部分低溫空氣被系統 風扇及電源風扇抽走 氣流混亂干擾造成系 統噪音提昇
電源及系統風扇組合
Cooler帶走的熱量需要經由電源帶走，此時由於電源風 扇的效能有限，造成溫度在機箱內部積存，導致機箱溫 度的提昇。
開孔大小及位置
側面開孔
機箱開孔及材質選定對系統整體散熱效益為輔助功能， 開孔位置及大小可避免不必要的溫度集中現象，開孔率 不足將無法有效引入足夠新鮮空氣﹔開孔率過大有EMI 的問題，及無法有效導引風向的流動。
＊刨削型 ( Skiving Fins ) ： 先以擠型方式做出長條狀帶有凹槽的初胚，接著利用 一特殊刀具將初胚創初一層層彎曲的鰭片出來。 優點─鰭片厚度可薄至0.5mm以下，同時鰭片與底板 是一體成行無界面阻抗之問題，另外具有高鰭 片密度，高散熱片面積，高熱導性。 缺點─量產不易，刀具易磨損，製造材料多。
散熱片的新製程
＊鍛造型 ( Forging Fins ) ： 係經精密的風到設計，於模具上開適當的鰭片排列， 將鋁塊加熱至降伏點後，於模穴內利用高壓使鋁材充 滿模穴而形成柱狀鰭片。 優點─鰭片高度可達50mm以上，厚度可薄至1mm以 下。 缺點─散熱片容易有鰭片高度不均之現象，模具費用 高。
散熱片的新製程
系統散熱的方向
CPU發熱量將繼續提昇，加上顯卡晶片的熱量增加， 系統先期規劃上需考量開孔分布及大小﹔以及空氣置 換量的需求確立電源及系統風扇的工作風量。 設計考量在於直接引入外界空氣進行熱源處的冷卻， 冷卻後所產生的熱量直接透過風槽導出機箱外，避免 熱量流入機箱中，導致機箱溫度的升高，造成整體性 能的不穩定。
近期開發重點
＊水冷式散熱系統組件： 微型抽水馬達 儲水槽 管線 水冷器 風扇
近期開發重點
＊導熱管及均熱板(Heat Pipe & Chamber)：
未來產品─微冷卻器
微熱交換器 微冷凍機 微流道熱沉 微熱管 微型空調系統
系統散熱問題
機箱散熱機制： 電源 系統風扇 開孔大小及位置 機箱外殼材料
風扇的死角
所謂風扇死角是指風扇置於某些角度情況下不能依規定電 壓啟動。測試方法就是將風扇各極依序調整置於霍爾IC之 前，然後將電壓緩慢調高直到啟動，若各極在小於規定電 壓值之前啟動，代 表合格，若有高低差異，啟動電壓超出 規定者，稱為死角。 影響的因素： 橡膠磁鐵各極充磁不均 ﹔ 霍爾IC感應靈敏度太差 ； 橡膠磁鐵充磁磁場太弱 。
Cooler的主要目的是降低CPU的溫度，它僅是提供一溫 度差(Tc - Ta)，當系統環境溫度過高時，CPU的溫度也 會相對提高，此時改善散熱器的效能僅是延緩CPU溫度 的快速升溫趨勢，對整體機箱的穩定性並無幫助。
考量系統散熱的工作重點在於如何有效置換機箱內部與 外界的空氣交換。
電源及系統風扇組合
不當開孔設計： 從系統風扇開孔處引進 的風很容易直接被電源 風扇抽走，此外電源排 出的熱風容易經過此開 孔處再次被引入。 實驗經驗： 系統風扇開孔處的入風 溫度約高於恆溫恆濕機 兩度。 將此開孔封閉一般Tc溫 度約降一至二度。
電源及系統風扇組合
搶風問題： 按現有機箱結構造成 cooler風扇和電源風扇 及系統風扇同時搶風 現象。
散熱片的新製程
＊折彎型 ( Folding Fins ) ： 將薄板片折呈鰭片排列形狀，再用硬焊或錫焊方式 與擠形過或機械加工過底板相結合成一散熱片。 優點─可作高細長比的散熱片，鰭片部分是一體折 彎成型，有利於熱傳導之連續性，具有不同散熱材 料組合的彈性。 缺點─依然有額外的界面阻抗及不易建構緊密排列 之細間散熱片。
電子系統的散熱問題
電腦中的主要熱源： 中央處理器(CPU) 南北橋晶片(Chip Set) 圖形處理器(GPU) 記憶體(Memory Set) 硬盤(HD) 電源(Power Supply) 其他 散熱的處理原則： 按照能量不滅定律，熱不會消失，僅是轉移至它處。
Cooler簡易示意圖
扣具 風扇 上蓋 散熱片 支架 背板
風扇運算的基本原理
DC風扇運轉原理： 根據安培右手定則，導體通過電流，周圍會產生磁場 ，若將此導體置於另一固定磁場中，則將產生吸力或 斥力，造成物體移動。在直流風扇的扇葉內部，附著 一事先充有磁性之橡膠磁鐵。環繞著矽鋼片，軸心部 份纏繞兩組線圈，並使用霍爾感應元件作為同步偵測 裝置，控制一組電路，該電路使纏繞軸心的兩組線圈 輪流工作。矽鋼片產生不同磁極，此磁極與橡膠磁鐵 產生吸斥力。當吸斥力大於虱扇的靜摩擦力時，扇葉 自然轉動。由於霍爾感應元件提供同步信號，扇葉因 此得以持續運轉，至於其運轉方向，可依佛萊明右手 定則決定。
風扇的充磁極數
極數多代表磁場變化速度快，磁場變化速度快代表頻率增加 ，頻率增加一方面提高矽鋼片能量轉換效率，使相同電流值 能作較多的功，得到較高轉速，所以，轉速與極數係成正比 關係。
風扇性能
P & Q CURVE 實驗資料-2800rpm 實驗資料-4200rpm 5
Air Pressure (mm H2O)
散熱片的新製程
＊金屬粉末射出成型 ( MIM Fins ) ： 應用在散熱片製造上，主要著眼於有些高熔點，高熱 傳導的材料，如Cu，Cu-W，不易用上述幾種製程予 以一體成型。直接作成散熱片型式之初胚，接著再利 用高溫燒結成具有強度與高密度的成品。 優點─可將高熱倒的銅粉末直接一體成型出高效能的 散熱片，適合用在高發熱密度並受限於空間限 制的電子元件上，熱阻抗值比鋁材低很多。 缺點─原料成本較昂貴，產品良率較其他製程低。
鰭片作用原理
高效能的散熱 ＝熱傳係數Ｘ散熱面積Ｘ溫度差
*熱傳係數： 材料性質，幾何形狀， 流場狀況 *散熱面積： 製造加工方式，幾何形狀 *溫度差： 幾何形狀，流場狀況
鰭片散熱途徑
*熱傳導： 固體部分，鰭片的材質( 鋁 => 銅 => ? ) 結合方式 ( Epoxy => Solder => Brazing => ? ) *熱對流： 風扇的效能 ( 60 => 70 => 80 => ? ) *熱輻射： 溫度差的自發性反應 ( X ) *沸騰，蒸發： 熱管, VLeabharlann Baidupor Chamber
實驗資料-3600rpm 實驗資料-4500rpm
Q正比 (轉速) P正比 (轉速^2) Q正比 (風扇尺寸^3) P正比 (風扇尺寸^2)
4 3 2 1 0
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40
風扇的改變： 轉速及尺寸增加
Air Flow (CFM)
風扇的類型
*軸流扇：高流量 *離心扇：高靜壓
風扇轉速測量原理
檢測RPM完全基於風扇底三導（白色線）F.G (Frequency Generation output) 輸出測量，跟據 輸出的高低電平及頻率幅度，BIOS取觸發信號 （相當於一個計數器）， 然後再根據風扇充磁極數 決定其周期頻率和RPM 。
風扇的啟動電壓
啟動電壓意即風扇最低運轉工作 電壓，是比較風扇優劣 的一項特性，通常淨摩擦系數較低的風扇，以及配台較 低工作電壓的霍爾IC才能使風扇用較低的電壓來啟動。 影響的因素： 繞線設計是否恰當﹔矽鋼片磁滯損失大小 ﹔ 霍爾lC的最低工作電壓 ﹔電晶體放大倍數高低 ﹔ 橡膠磁鐵的充磁強度 ﹔.扇葉的重量 ﹔ .軸承的摩擦系數高低 ﹔電晶體飽和電壓高低 ﹔ 是否有反向保護二極體。
CPU Cooler 熱阻之定義
Ta
R total = R CPU + R Contact + R Cooler
R total = 總熱阻 = (Tc - Ta) ／ Q
R CPU = CPU熱阻
R Contact = CPU至鰭片之接觸熱阻 R Cooler = Cooler熱阻 Tc
熱阻計算公式
散熱片的新製程
＊接合型 ( Bonding Fins ) ： 利用鋁擠型擠出有溝槽的散熱片底板，同時將鋁板片 或銅板片作成一片片的鰭片，接著將每片鰭片插入散 熱片底板的溝槽上，再利用導熱黏膠或銲錫將兩者接 合起來。
優點─細長比可達60倍以上，鰭片可選擇不同材料。 缺點─銲接效果難控制，造成界面阻抗增加，且接合 強度亦影響產品之可靠性。
散熱片的新製程
＊機械加工型 ( Machining Fins ) ： 直接由金屬塊將材料加工成具有鰭片間隙的散熱片型 式。通常是在CNC機台上以GangSaw刀具來加工製造 散熱片，此刀具具有多重精密排列的鋸輪。 優點─適用於高性能散熱片的製造，如銅散熱片加工 ，且容易自動化。 缺點─加工過程中易造成鰭片損害和變形問題，同時 產生大量廢料與材料耗損，較不具生產性。
Tc – Ta = Q
Kcu Acu ΔXcu
+
Q 1 / R grease 散熱膏
+
Q
K Al A Al ΔX Al
+ 熱
Q H convection A Al 片
CPU
散
R tot =
Tc – Ta Q
= R cpu + R grease + R cooler
鰭片設計重點
*總體積尺寸 *材料 *底板厚度 *鰭片形狀 *鰭片厚度 *鰭片間距 *鰭片長度 *鰭片／底板之結合材料
鰭片效能因子
*熱對流強度或鰭片面積 *鰭片所具有的熱傳導面積 *風扇壓力損失 *底板的熱擴散性
鰭片其他設計考量
*製造生產的困難度 ─鰭片的細長比 ─Fin-to-Fin間距 ─鰭片/底板之結合材料 *重量 *價格
傳統散熱片製程說明
＊鋁擠型： 主要材料為鋁6063，傳導率約在160～180 W/mK ，易加工，限制在於散熱鰭片之細長比有其限制 (<15)，無法在有限空間下大量增加散熱面積。 ＊壓鑄型： 可作成複雜形狀的導流設計，能做出薄且密的鰭 片，以增加散熱面積。常用的壓鑄合金為ADC12 ，但熱傳導性較差(96W/mK)。
導致現象： 部分低溫空氣被系統 風扇及電源風扇抽走 氣流混亂干擾造成系 統噪音提昇
電源及系統風扇組合
Cooler帶走的熱量需要經由電源帶走，此時由於電源風 扇的效能有限，造成溫度在機箱內部積存，導致機箱溫 度的提昇。
開孔大小及位置
側面開孔
機箱開孔及材質選定對系統整體散熱效益為輔助功能， 開孔位置及大小可避免不必要的溫度集中現象，開孔率 不足將無法有效引入足夠新鮮空氣﹔開孔率過大有EMI 的問題，及無法有效導引風向的流動。
＊刨削型 ( Skiving Fins ) ： 先以擠型方式做出長條狀帶有凹槽的初胚，接著利用 一特殊刀具將初胚創初一層層彎曲的鰭片出來。 優點─鰭片厚度可薄至0.5mm以下，同時鰭片與底板 是一體成行無界面阻抗之問題，另外具有高鰭 片密度，高散熱片面積，高熱導性。 缺點─量產不易，刀具易磨損，製造材料多。
散熱片的新製程
＊鍛造型 ( Forging Fins ) ： 係經精密的風到設計，於模具上開適當的鰭片排列， 將鋁塊加熱至降伏點後，於模穴內利用高壓使鋁材充 滿模穴而形成柱狀鰭片。 優點─鰭片高度可達50mm以上，厚度可薄至1mm以 下。 缺點─散熱片容易有鰭片高度不均之現象，模具費用 高。
散熱片的新製程
系統散熱的方向
CPU發熱量將繼續提昇，加上顯卡晶片的熱量增加， 系統先期規劃上需考量開孔分布及大小﹔以及空氣置 換量的需求確立電源及系統風扇的工作風量。 設計考量在於直接引入外界空氣進行熱源處的冷卻， 冷卻後所產生的熱量直接透過風槽導出機箱外，避免 熱量流入機箱中，導致機箱溫度的升高，造成整體性 能的不穩定。