電子散熱設(shè)計(jì)、管理速析
各位是否相信？電子產(chǎn)品的散熱技術(shù)、散熱管理等的設(shè)計(jì)，其重要性正與日遽增中，有愈來(lái)愈多的電子應(yīng)用在設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮到熱的問(wèn)題，但同樣的應(yīng)用設(shè)計(jì)在過(guò)去卻沒(méi)有問(wèn)題，或是使用簡(jiǎn)單的追加設(shè)計(jì)就能解決，如今卻無(wú)法用相同的作法來(lái)打發(fā)。

　另外，從今而后的散熱設(shè)計(jì)也愈來(lái)愈艱困，過(guò)去的散熱設(shè)計(jì)主要即在于保護(hù)性，保護(hù)產(chǎn)品在運(yùn)作時(shí)不致發(fā)生過(guò)熱，或在過(guò)熱之前加以因應(yīng)，而今這只是散熱設(shè)計(jì)的最初步，現(xiàn)在則有更多的取向、因素必須去滿足。


　因此，本文以下將討論今日電子散熱設(shè)計(jì)的兩個(gè)層面：1.有哪里些電子設(shè)計(jì)應(yīng)用需要在散熱方面投入更多的心力？為何過(guò)去不用而今日需要？2.散熱設(shè)計(jì)除了達(dá)到過(guò)去一貫的「避免運(yùn)作過(guò)熱的保護(hù)」要求外，今日又有哪里些新的設(shè)計(jì)要點(diǎn)必須重視與留意？

　

▲過(guò)去最先需要散熱片的是CPU，接著是GPU，再來(lái)是芯片組，如今連存儲(chǔ)器模塊也需要，圖為FB-DIMM模塊附加散熱片的情形。

　■制程不斷縮密的挑戰(zhàn)

　今日電子散熱設(shè)計(jì)所要面對(duì)的第一個(gè)問(wèn)題就是：半導(dǎo)體制程仍持續(xù)不斷的縮密，從90nm、65nm、邁向45nm，制程縮密的同時(shí)漏電功耗也遽增，以致在相同的單位面積內(nèi)，所需要的用電量與廢熱產(chǎn)生也愈來(lái)愈大，1997年的PentiumⅡ不過(guò)58瓦特的用電，在當(dāng)時(shí)已是怪獸級(jí)的空前用電，而今即將問(wèn)世的Intel四核版處理器卻已經(jīng)破200多瓦特的用電，并直指300瓦特的大關(guān)，就連處理器在閑置的省電狀態(tài)下都需要100多瓦特的電量。

　不單是制程更縮密、裸晶電路面積更嬌小化，相對(duì)的芯片封裝面積也在嬌小化，近年來(lái)常言的晶級(jí)封裝（Chip Scale Package；CSP）只允許封裝面積比裸晶面積大個(gè)50％，使得散熱面積與以往相比更加有限。

　更令人頭痛的是，過(guò)去高熱化的芯片通常只有一個(gè)，那就是中央處理器（Central Processing Unit；CPU），也只有中央處理器需要額外的散熱關(guān)注與設(shè)計(jì)心力，特別是PC主機(jī)板的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)從AT轉(zhuǎn)換成ATX時(shí)，ATX開(kāi)始加入主機(jī)板上各元件配置位置的高度配置，美其名是要避免板卡插置時(shí)的空間沖突，但90年代中后期已少有長(zhǎng)型板卡，板卡位置沖突的發(fā)生性已經(jīng)很少，因此限定組件高度的絕大部分用意是為了處理器的散熱，避免處理器的氣流路徑（Air Path）遭到阻礙。

　至于現(xiàn)在，現(xiàn)在PC機(jī)內(nèi)不再只有中央處理器是高熱發(fā)散元件，繪圖處理器（Graphics Processing Unit；GPU）成了第二號(hào)重點(diǎn)，有時(shí)甚至凌駕于CPU，特別是近年來(lái)GPU在晶體管用量上有超越CPU的趨勢(shì)。更進(jìn)一步的連芯片組也開(kāi)始高熱化，90年代后期的若干款PC芯片組已開(kāi)始需要配屬散熱片，而今有些主機(jī)板制造商已經(jīng)為芯片組加裝電動(dòng)風(fēng)扇，特別是主機(jī)板不知道會(huì)配置到哪里種機(jī)殼內(nèi)，因此必須以最壞的機(jī)內(nèi)氣流環(huán)境設(shè)想、打算。

　

▲在芯片發(fā)熱愈來(lái)愈嚴(yán)重的情況下，水冷循環(huán)系統(tǒng)的使用已經(jīng)愈來(lái)愈常見(jiàn)，圖為冷媒管線流經(jīng)兩顆芯片的配置情形。（資料來(lái)源：LinuxHardware.org）

 

　除CPU、GPU、芯片組外，存儲(chǔ)器也開(kāi)始高熱化，自DDR SDRAM、DDR2 SDRAM開(kāi)始存儲(chǔ)器模塊也需要配屬散熱片，這在過(guò)去根本不需要，不單是如此，已經(jīng)獲得JEDEC定案通過(guò)的新標(biāo)準(zhǔn)：FB-DIMM（Full Buffered Dual Inline Memory Module），更是讓存儲(chǔ)器的熱問(wèn)題更加嚴(yán)重，一條DDR2 SDRAM約耗用4瓦特5瓦特的用電，改采FB-DIMM設(shè)計(jì)后，由于追加了AMB（Advanced Memory Buffer）的轉(zhuǎn)換、橋接芯片，使每一條DIMM的用電達(dá)10瓦特11瓦特的倍增。

　更痛苦的是，F(xiàn)B-DIMM就是為了更密集、大量配置存儲(chǔ)器模塊而設(shè)計(jì)，F(xiàn)B-DIMM的推行者表示：在標(biāo)準(zhǔn)相同的線路數(shù)目、相同的電路板面積內(nèi)，F(xiàn)B-DIMM能夠比傳統(tǒng)DIMM多出三倍的模塊配置量。如此仔細(xì)一算，傳統(tǒng)模塊換成FB-DIMM都足以讓用電倍增，若再想發(fā)揮FB-DIMM的密集、大量配置模塊，則會(huì)使相同的電路板面積比過(guò)去多出5倍的用電（發(fā)熱）量。

　另外，近年來(lái)成長(zhǎng)快速的FPGA也在散熱問(wèn)題上不可忽略，大型、高密度的FPGA已經(jīng)達(dá)上千只的接腳，同時(shí)也積極采行最新、最縮密的半導(dǎo)體制程，只是一般量產(chǎn)的PC中不易見(jiàn)到，但在其它電子設(shè)計(jì)應(yīng)用中，大型FPGA的散熱問(wèn)題也必須要開(kāi)始考慮。

　凡此種種，或許可以用另一種說(shuō)法來(lái)概括：「摩爾定律」這帖藥方持續(xù)有效，但藥效之外的「副作用」卻也愈來(lái)愈大。尤其制程再更縮密后，裸晶的發(fā)熱位置將更縮小、集中，如此芯片封裝的散熱技術(shù)就更重要，能否將裸晶的熱，快速且平均導(dǎo)到封裝面積上，也成為封裝工藝上的一項(xiàng)空前新挑戰(zhàn)。

　
▲愈來(lái)愈多的液晶顯示器改用LED/WLED做為背光，圖為（東芝）Toshiba Matsushita Display Technology Co., Ltd.（簡(jiǎn)稱：TMDisplay）在11.1英寸液晶顯示器使用LED/WLED背光，然LED/WLED背光需要比過(guò)往更注重散熱設(shè)計(jì)。（資料來(lái)源：www.3toshiba.co.jp）

 ■短小輕薄的設(shè)計(jì)壓力

　有些人以為只有手持行動(dòng)用的掌上型電子產(chǎn)品，才會(huì)有短小輕薄的設(shè)計(jì)壓力，事實(shí)上幾乎所有使用、應(yīng)用層面的電子產(chǎn)品，都遭受空前的空間設(shè)計(jì)壓力。

　手持式在此就不用多提了，各位看看居家客廳的電視，平面化電視是今日的趨勢(shì)，平面化電視的標(biāo)榜也包含了「薄型化」的特點(diǎn)在其中，如此也等于限縮了電視機(jī)內(nèi)可用的散熱空間。

　即便不談?wù)揕CD、PDP等數(shù)碼薄型電視，而來(lái)談?wù)撌褂肅RT陰極射線管（俗稱：映像管）的傳統(tǒng)電視，在其發(fā)展的后期也開(kāi)始標(biāo)榜「短管」、「超短管」，也就是限縮映像管的長(zhǎng)度，進(jìn)而使電視的厚度減少，如此一樣使機(jī)內(nèi)散熱空間減少。

　除了電視機(jī)外，再看看會(huì)議簡(jiǎn)報(bào)、家庭劇院所用的投影機(jī)，投影機(jī)也一樣愈來(lái)愈講究短小輕薄，過(guò)去需要用手推車搬運(yùn)的投影機(jī)，如今已經(jīng)小到可以用手提箱攜行，有些甚至已經(jīng)到只比便當(dāng)盒大一點(diǎn)的水平，所以投影機(jī)也同樣面臨機(jī)內(nèi)體積限縮的問(wèn)題，連帶的也給散熱設(shè)計(jì)更大的壓力。

　
▲客廳首重舒適，因此積極打入客廳的個(gè)人計(jì)算機(jī)：媒體中心（Media Center）。此方面也有業(yè)者采行零風(fēng)扇的設(shè)計(jì)，完全用熱導(dǎo)管與散熱片替代，例如圖中的Hush E3媒體中心。

　再者，各位看看高效運(yùn)算（High Performance Computing；HPC）領(lǐng)域的超級(jí)計(jì)算機(jī)，網(wǎng)際資料中心（Internet Data Center；IDC）的端緣運(yùn)算布建、刀鋒服務(wù)器，這些運(yùn)算設(shè)備愈來(lái)愈重是的不再只是效能，也不再只是價(jià)格效能比，而是效能用電筆、效能體積比，特別是效能體積比，由于機(jī)房占地有限，不可能在短時(shí)間獲得拓建，所以現(xiàn)在的超級(jí)計(jì)算機(jī)、服務(wù)器用戶都比過(guò)去更加要求：必須在相同的機(jī)房、機(jī)柜空間內(nèi)，裝入更多部服務(wù)器、更多顆處理器，如此最后還是一樣：苦了散熱設(shè)計(jì)。

　而且，現(xiàn)在的機(jī)房業(yè)者愈來(lái)愈講究用電的精省，因?yàn)殡娰M(fèi)在業(yè)者的營(yíng)運(yùn)成本中占有極高的比重，新設(shè)備若需要更高的用電，或在地發(fā)電業(yè)者將電費(fèi)漲價(jià)，將明顯沖擊與影響其收益，所以業(yè)者也會(huì)盡可能希望使用最省電的散熱作法，如此使用電能進(jìn)行散熱的電動(dòng)風(fēng)扇、致冷器、水冷循環(huán)等技術(shù)將有較大的顧忌，而必須更加善用散熱片、熱導(dǎo)管等不需電力的技術(shù)。

　■高亮度、高功率LED應(yīng)用

　再來(lái)就是新電子照明所產(chǎn)生的散熱問(wèn)題，由于藍(lán)光、白光LED在亮度方面的技術(shù)突破，使LED成為新興的電子照明應(yīng)用，過(guò)去用EL、CCFL做為背光（Backlight）的LCD顯示器，如今開(kāi)始改用LED/WLED做為背光，然而就用電效率與散熱等特性而言，LED/WLED并沒(méi)有過(guò)去EL、CCFL等來(lái)的理想。

　特別是在大畫寸的電視應(yīng)用上，大畫寸電視若以LED/WLED為其背光，則LED/WLED的使用數(shù)量將相當(dāng)高，達(dá)數(shù)百、上千之譜，加上必須密集排列、配置LED/WLED，如此散熱問(wèn)題也就更加嚴(yán)重，這迫使背光部分必須用上電動(dòng)風(fēng)扇來(lái)加速散熱，不過(guò)這也經(jīng)常招致消費(fèi)者抱怨，他們?cè)谟^賞電視時(shí)不僅聽(tīng)到節(jié)目的聲音，也聽(tīng)到了不想聽(tīng)到的機(jī)背風(fēng)扇聲。

　LED/WLED不僅用于液晶電視的背光，另一個(gè)被看好的高亮度LED應(yīng)用是汽車的車燈，特別是頭燈的部分，一旦頭燈也改用LED照明，則全車就有機(jī)會(huì)達(dá)到完全以LED做為照明與指示的設(shè)計(jì)，進(jìn)而完全棄舍過(guò)去的車用照明技術(shù)。

　不過(guò)，過(guò)去WLED不能做為汽車頭燈、主照燈，而只能做為方向燈、指示燈的原因，就在于亮度問(wèn)題，而今開(kāi)始可行的原因是在于LED業(yè)者積極在亮度技術(shù)上突破，然而積極于亮度方面的結(jié)果也產(chǎn)生了相同的老問(wèn)題：更大的功耗與散熱，因此車頭燈改用WLED已是可行，且有愈來(lái)愈多的車款如此采行，但散熱設(shè)計(jì)也就必須比過(guò)去更加投入與費(fèi)心。

　

▲Intel于2005年8月所揭露的社區(qū)用社群計(jì)算機(jī)：Community PC，Community PC是以印度鄉(xiāng)村的公用計(jì)算機(jī)為其想定，因此特別強(qiáng)調(diào)散熱設(shè)計(jì)，以及散熱風(fēng)扇的抗塵侵、抗蟲(chóng)入等設(shè)計(jì)。（資料來(lái)源：Intel.com）

 

　當(dāng)然！WLED不僅在液晶背光或車用燈，包括紅綠燈的交通號(hào)志，以及美術(shù)燈等各種照明層面都開(kāi)始普遍使用，這同樣要考驗(yàn)散熱設(shè)計(jì)，特別是這些照明應(yīng)用都是長(zhǎng)時(shí)間使用，且經(jīng)常在各種公眾環(huán)境使用，如此散熱方面就更難設(shè)計(jì)，尤其風(fēng)扇最忌沙塵、濕淋等問(wèn)題，在客廳、辦公室可以用風(fēng)扇，但在公眾環(huán)境用風(fēng)扇就有較大的困難。此外也開(kāi)始有業(yè)者用LED/WLED做為投影機(jī)的燈泡，如此對(duì)過(guò)去的投影機(jī)散熱設(shè)計(jì)師而言，也必須適應(yīng)新的散熱設(shè)計(jì)方式。

金磚四國(guó)市場(chǎng)也重視散熱

　最后，以金磚四國(guó)為目標(biāo)市場(chǎng)的電子產(chǎn)品，恐怕也得比過(guò)往的相同產(chǎn)品更注重散熱問(wèn)題，單以PC為例，在先進(jìn)國(guó)度中PC多是在有完善空調(diào)的辦公、居家等場(chǎng)合中使用，但在金磚四國(guó)市場(chǎng)，由于現(xiàn)有購(gòu)買力的因素，可能會(huì)先推行公用計(jì)算機(jī)，如Intel的Community PC、Microsoft的FlexGo等即是此種構(gòu)想的代表，然公用計(jì)算機(jī)所處的公眾場(chǎng)合、環(huán)境可能相當(dāng)高溫，如此以外部空氣對(duì)流以進(jìn)行散熱的作法（如散熱片、散熱風(fēng)扇）將會(huì)打折扣，恐必須更考慮內(nèi)部熱交換作法的熱導(dǎo)管、水冷循環(huán)設(shè)計(jì)。

　此外，金磚四國(guó)市場(chǎng)的交通便利性尚不如先進(jìn)國(guó)度，加上金磚概念產(chǎn)品多半訴求平價(jià)，如此就必須減少銷售后的支持維修，所以必須盡可能少使用電動(dòng)風(fēng)扇技術(shù)，理由是：與其它散熱技術(shù)相比，電動(dòng)風(fēng)扇的組件壽命較短，經(jīng)常頻繁保養(yǎng)與換新，且若以印度為使用設(shè)想，還必須防止沙塵、昆蟲(chóng)等對(duì)風(fēng)扇的影響，因此風(fēng)扇部分還必須比過(guò)往有更好的抗塵侵、抗蟲(chóng)入等設(shè)計(jì)。

　凡此種種，都在在說(shuō)明：散熱設(shè)計(jì)、散熱管理已到了空前的新挑戰(zhàn)局面，散熱不僅要穩(wěn)定可靠，還要舒適安靜，還要因應(yīng)產(chǎn)品的短小輕薄，還要盡可能節(jié)能，散熱設(shè)計(jì)不再只是專注于避免運(yùn)作過(guò)熱，從今而后有更多更多因素層面需要列入考慮。

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