电子散热设计、管理速析

各位是否相信？电子产品的散热技术、散热管理等的设计，其重要性正与日剧增中，有愈来愈多的电子应用在设计时必须要考虑到热的问题，但同样的应用设计在过去却没有问题，或是使用简单的追加设计就能解决，如今却无法用相同的作法来打发。

　另外，从今而后的散热设计也愈来愈艰困，过去的散热设计主要即在于保护性，保护产品在运作时不致发生过热，或在过热之前加以因应，而今这只是散热设计的最初步，现在则有更多的取向、因素必须去满足。

　因此，本文以下将讨论今日电子散热设计的两个层面：1.有哪些电子设计应用需要在散热方面投入更多的心力？为何过去不用而今日需要？2.散热设计除了达到过去一贯的「避免运作过热的保护」要求外，今日又有哪些新的设计要点必须重视与留意？

　

▲过去最先需要散热片的是CPU，接着是GPU，再来是晶片组，如今连存储器模组也需要，图为FB-DIMM模组附加散热片的情形。

　■制程不断缩密的挑战

　今日电子散热设计所要面对的第一个问题就是：半导体制程仍持续不断的缩密，从90nm、65nm、迈向45nm，制程缩密的同时漏电功耗也剧增，以致在相同的单位面积内，所需要的用电量与废热产生也愈来愈大，1997年的PentiumⅡ不过58瓦特的用电，在当时已是怪兽级的空前用电，而今即将问世的Intel四核版处理器却已经破200多瓦特的用电，并直指300瓦特的大关，就连处理器在闲置的省电状态下都需要100多瓦特的电量。

　不单是制程更缩密、裸晶电路面积更娇小化，相对的晶片封装面积也在娇小化，近年来常言的晶级封装（Chip Scale Package；CSP）只允许封装面积比裸晶面积大个50％，使得散热面积与以往相比更加有限。

　更令人头痛的是，过去高热化的晶片通常只有一个，那就是中央处理器（Central Processing Unit；CPU），也只有中央处理器需要额外的散热关注与设计心力，特别是PC主机板的规格标准从AT转换成ATX时，ATX开始加入主机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时的空间冲突，但90年代中后期已少有长型板卡，板卡位置冲突的发生性已经很少，因此限定组件高度的绝大部分用意是为了处理器的散热，避免处理器的气流路径（Air Path）遭到阻碍。

　至于现在，现在PC机内不再只有中央处理器是高热发散元件，绘图处理器（Graphics Processing Unit；GPU）成了第二号重点，有时甚至凌驾于CPU，特别是近年来GPU在电晶体用量上有超越CPU的趋势。更进一步的连晶片组也开始高热化，90年代后期的若干款PC晶片组已开始需要配属散热片，而今有些主机板制造商已经为晶片组加装电动风扇，特别是主机板不知道会配置到哪种机壳内，因此必须以最坏的机内气流环境设想、打算。

　

▲在晶片发热愈来愈严重的情况下，水冷循环系统的使用已经愈来愈常见，图为冷媒管线流经两颗晶片的配置情形。

　除CPU、GPU、晶片组外，存储器也开始高热化，自DDR SDRAM、DDR2 SDRAM开始存储器模组也需要配属散热片，这在过去根本不需要，不单是如此，已经获得JEDEC定案通过的新标准：FB-DIMM（Full Buffered Dual Inline Memory Module），更是让记忆体的热问题更加严重，一条DDR2 SDRAM约耗用4瓦特∼5瓦特的用电，改採FB-DIMM设计后，由于追加了AMB（Advanced Memory Buffer）的转换、桥接晶片，使每一条DIMM的用电达10瓦特∼11瓦特的倍增。

　更痛苦的是，FB-DIMM就是为了更密集、大量配置存储器模组而设计，FB-DIMM的推行者表示：在标准相同的线路数目、相同的电路板面积内，FB-DIMM能够比传统DIMM多出三倍的模组配置量。如此仔细一算，传统模组换成FB-DIMM都足以让用电倍增，若再想发挥FB-DIMM的密集、大量配置模组，则会使相同的电路板面积比过去多出5倍的用电（发热）量。

　另外，近年来成长快速的FPGA也在散热问题上不可忽略，大型、高密度的FPGA已经达上千只的接脚，同时也积极采行最新、最缩密的半导体制程，只是一般量产的PC中不易见到，但在其他电子设计应用中，大型FPGA的散热问题也必须要开始考虑。

　凡此种种，或许可以用另一种说法来概括：「摩尔定律」这帖药方持续有效，但药效之外的「副作用」却也愈来愈大。尤其制程再更缩密后，裸晶的发热位置将更缩小、集中，如此晶片封装的散热技术就更重要，能否将裸晶的热，快速且平均导到封装面积上，也成为封装工艺上的一项空前新挑战。

　

▲愈来愈多的液晶显示器改用LED/WLED做为背光，图为（东芝）Toshiba Matsushita Display Technology Co., Ltd.（简称：TMDisplay）在11.1英吋液晶显示器使用LED/WLED背光，然LED/WLED背光需要比过往更注重散热设计。

　■短小轻薄的设计压力

　有些人以为只有手持行动用的掌上型电子产品，才会有短小轻薄的设计压力，事实上几乎所有使用、应用层面的电子产品，都遭受空前的空间设计压力。

　手持式在此就不用多提了，各位看看居家客厅的电视，平面化电视是今日的趋势，平面化电视的标榜也包含了「薄型化」的特点在其中，如此也等于限缩了电视机内可用的散热空间。

　即便不谈论LCD、PDP等数位薄型电视，而来谈论使用CRT阴极射线管（俗称：映像管）的传统电视，在其发展的后期也开始标榜「短管」、「超短管」，也就是限缩映像管的长度，进而使电视的厚度减少，如此一样使机内散热空间减少。

　除了电视机外，再看看会议简报、家庭剧院所用的投影机，投影机也一样愈来愈讲究短小轻薄，过去需要用手推车搬运的投影机，如今已经小到可以用手提箱携行，有些甚至已经到只比便当盒大一点的水准，所以投影机也同样面临机内体积限缩的问题，连带的也给散热设计更大的压力。

　

▲客厅首重舒适，因此积极打入客厅的个人电脑：媒体中心（Media Center）。此方面也有业者採行零风扇的设计，完全用热导管与散热片替代，例如图中的Hush E3媒体中心。

　再者，各位看看高效运算（High Performance Computing；HPC）领域的超级电脑，网际资料中心（Internet Data Center；IDC）的端缘运算佈建、刀锋伺服器，这些运算设备愈来愈重是的不再只是效能，也不再只是价格效能比，而是效能用电笔、效能体积比，特别是效能体积比，由于机房佔地有限，不可能在短时间获得拓建，所以现在的超级电脑、伺服器用户都比过去更加要求：必须在相同的机房、机柜空间内，装入更多部伺服器、更多颗处理器，如此最后还是一样：苦了散热设计。

　而且，现在的机房业者愈来愈讲究用电的精省，因为电费在业者的营运成本中佔有极高的比重，新设备若需要更高的用电，或在地发电业者将电费涨价，将明显冲击与影响其收益，所以业者也会尽可能希望使用最省电的散热作法，如此使用电能进行散热的电动风扇、致冷器、水冷循环等技术将有较大的顾忌，而必须更加善用散热片、热导管等不需电力的技术。

　■高亮度、高功率LED应用

　再来就是新电子照明所产生的散热问题，由于蓝光、白光LED在亮度方面的技术突破，使LED成为新兴的电子照明应用，过去用EL、CCFL做为背光（Backlight）的LCD显示器，如今开始改用LED/WLED做为背光，然而就用电效率与散热等特性而言，LED/WLED并没有过去EL、CCFL等来的理想。

　特别是在大画吋的电视应用上，大画吋电视若以LED/WLED为其背光，则LED/WLED的使用数量将相当高，达数百、上千之谱，加上必须密集排列、配置LED/WLED，如此散热问题也就更加严重，这迫使背光部分必须用上电动风扇来加速散热，不过这也经常招致消费者抱怨，他们在观赏电视时不仅听到节目的声音，也听到了不想听到的机背风扇声。

　LED/WLED不仅用于液晶电视的背光，另一个被看好的高亮度LED应用是汽车的车灯，特别是头灯的部分，一旦头灯也改用LED照明，则全车就有机会达到完全以LED做为照明与指示的设计，进而完全弃捨过去的车用照明技术。

　不过，过去WLED不能做为汽车头灯、主照灯，而只能做为方向灯、指示灯的原因，就在于亮度问题，而今开始可行的原因是在于LED业者积极在亮度技术上突破，然而积极于亮度方面的结果也产生了相同的老问题：更大的功耗与散热，因此车头灯改用WLED已是可行，且有愈来愈多的车款如此採行，但散热设计也就必须比过去更加投入与费心。

　

▲Intel于2005年8月所揭露的社区用社群电脑：Community PC，Community PC是以印度乡村的公用电脑为其想定，因此特别强调散热设计，以及散热风扇的抗尘侵、抗虫入等设计。

　当然！WLED不仅在液晶背光或车用灯，包括红绿灯的交通号志，以及美术灯等各种照明层面都开始普遍使用，这同样要考验散热设计，特别是这些照明应用都是长时间使用，且经常在各种公众环境使用，如此散热方面就更难设计，尤其风扇最忌沙尘、湿淋等问题，在客厅、办公室可以用风扇，但在公众环境用风扇就有较大的困难。此外也开始有业者用LED/WLED做为投影机的灯泡，如此对过去的投影机散热设计师而言，也必须适应新的散热设计方式。

　■金砖四国市场也重视散热

　最后，以金砖四国为目标市场的电子产品，恐怕也得比过往的相同产品更注重散热问题，单以PC为例，在先进国度中PC多是在有完善空调的办公、居家等场合中使用，但在金砖四国市场，由于现有购买力的因素，可能会先推行公用电脑，如Intel的Community PC、Microsoft的FlexGo等即是此种构想的代表，然公用电脑所处的公众场合、环境可能相当高温，如此以外部空气对流以进行散热的作法（如散热片、散热风扇）将会打折扣，恐必须更考虑内部热交换作法的热导管、水冷循环设计。

　此外，金砖四国市场的交通便利性尚不如先进国度，加上金砖概念产品多半诉求平价，如此就必须减少销售后的支援维修，所以必须尽可能少使用电动风扇技术，理由是：与其他散热技术相比，电动风扇的组件寿命较短，经常频繁保养与换新，且若以印度为使用设想，还必须防止沙尘、昆虫等对风扇的影响，因此风扇部分还必须比过往有更好的抗尘侵、抗虫入等设计。

　凡此种种，都在在说明：散热设计、散热管理已到了空前的新挑战局面，散热不仅要稳定可靠，还要舒适安静，还要因应产品的短小轻薄，还要尽可能节能，散热设计不再只是专注于避免运作过热，从今而后有更多更多因素层面需要列入考虑。

　

▲2005年3月麻省理工学院媒体实验室揭露了针对发展中国家所设计的学童用电脑：OLPC，OLPC强调低廉、坚耐，且不需要使用电动风扇散热。