【资料】散热发展

目前的電子產品在發展方面有兩大趨勢，一是輕薄短小，二是高性能與多功能化。隨著元件發熱量的增加與體積的縮小，發熱密度也因而快速的提升。若無法提供有效的散熱，將會影響到電子產品之性能及可靠度，甚至縮短使用期限。
  
目前對於桌上型電腦CPU而言，鋁製散熱片結合風扇之散熱模組是必備的，但隨著發熱量的增加，目前散熱模組已逐漸無法滿足散熱之需求，必須開發新式的散熱模組以因應未來之挑戰。而在筆記型電腦方面，目前熱管是一個被廣泛使用於傳熱用之重要元件。熱管可視為是一個具有高熱傳導率之被動熱傳元件。由於內部的兩相流熱傳機制，使得熱管的傳熱能力是同樣尺寸銅金屬的數百倍以上。利用熱管作為熱的傳遞物時，具有反應迅速及熱阻小之優點。因此可配合熱管或其衍生產品之使用發展出各型高性能散熱模組，適合解決目前各式電子產品因性能提昇所衍生之散熱問題。
  
另外，由於電子元件技術進步十分迅速，連帶使電子產品之開發時程必須縮短在3至6個月之內，快速推出以便能在市場佔有一席之地。因此系統之散熱設計必須能一次就完全能處理過熱之問題，不容許有多次修改調整之時間，亦即熱對策必須正確有效。傳統散熱設計之效果必須透過散熱模組之製作與測試方能得知，若無法滿足需求，將必須重新設計製作與再測試，甚至整個電子產品必須進行修改，如此將花費許多的時間，延誤了產品的先機。而藉由數值模擬軟體之應用，可以在極短之時間內即可獲知系統散熱設計之效果，重新修改所需之時間也十分快速，因此數值模擬技術已逐漸成為縮短產品開發時程之利器。
  
因此整個電子散熱技術之發展，可以分成以下幾個核心技術加以說明：
  
熱對策技術：藉由對於電子元件在電路板上之分佈、功率大小、EMI、機構等考量，結合散熱片、熱管或風扇之設計安排，規劃出最佳之散熱對策。  
數值模擬技術：透過電腦數值模擬分析軟體計算快速之特點，透過熱對策之設計，藉由程式進行計算分析，以瞭解熱對策設計之優良與否，並視需要進行散熱設計之修正，以求取最佳之散熱效果。  
散熱元件技術：在電子系統中，如何迅速將元件本身熱量分散以降低元件溫度，是一重要關鍵技術。因此熱管、風扇、散熱片等散熱元件已大量被使用在各式電子產品之中。而在電子元件發熱密度越來越高的情形下，具有更高散熱性能之散熱元件設計、開發，是非常具急迫性的需求。
  
   
  
國內外現況  
  
國外廠商在開發更高性能或新式的散熱產品方面，以美國與日本最為投入，其相關產品種類包含散熱片、熱管、風扇、新型的平板型熱管與環路型熱管等。
  
國內有多家廠商投入散熱片、風扇之設計與生產，近五年來更開始進行熱管之製作，並突破了國外熱管產品壟斷之情勢。最近更開始嘗試開發更先進之產品如平板型熱管與環路型熱管，目前仍尚未有具體之成果。在學界方面也有多所大學投入相關之研究，台大機械二相流實驗室並與國外技術單位合作開發環路型熱管。
  
   
  
研發現況與成果  
  
工研院能資所在經濟部研究專案支持下，投入電子散熱相關技術之研發，包含散熱設計、熱管開發、電腦模擬技術等技術之建立，並獲得具體之成果。特別是在微熱管製作之技術開發方面，建立國內之設計與生產技術，突破了國外熱管產品壟斷之局勢，並促使熱管售價之下降，大幅降低散熱模組之成本。
  
而在與國科會太空計畫室的委託合作計畫中，已成功完成鋁氨熱管(操作溫度範圍-20~50oC)的設計、製作之開發。而目前正在進行熱控冷板之設計開發，其操作溫度範圍-30~50oC。
  
熱管技術移轉：銅-水毛細熱管
服務廠商：超眾、富驊
  
技術服務：散熱設計、電腦模擬分析、委託製作、性能檢測
服務廠商：宏碁、大眾、昌磊、超眾、鼎沛、前錦、熵立得、銓寶等
  
散熱設計與電腦模擬分析技術
  
平板型熱管
  
環路型熱管
  

.比熱大小對導熱及散熱的差異及影響？  
  
(a). 傳統的散熱材質(如銀銅金鋁錫鐵鉛...等金屬類)
  
在"導熱速率"方面,這一類的材質,其"比熱"愈大"導熱速率"愈快,但是,在"散熱速率"方面卻是愈慢的(以最常用的"銅"和"鋁"為例,在"導熱速率"方面"銅"比"鋁"快,但是,在"散熱速率"方面"銅"卻是比"鋁"要慢得多).所以，目前市售的"銅製 Cooler"必需用"高風量"及"高風壓"的暴力風扇,來彌補"銅"在"散熱速率"方面比"鋁"要慢得多的缺點.
  
(b). 特殊的散熱材質(目前以陶瓷合金及複合材料為主)  
  
這一類的材質,在設計上,比較著重於"熱量"快進快出的特性，其"比熱"愈小愈能突顯"熱量"快進快出的特性。
換個方式來說==>"熱量"停留在"散熱片本體"中的時間愈短(即高速通過)，其"散熱效率"愈高。
  
備註
  
{ 比熱==>每一單位質量升高攝氏 1 度所需"熱量"的比較值 }
{ ( 以水為比較基礎==>水的比熱 = 1.0 ). }

1. 散熱與導熱的差別？  
  
導熱
  
在這裏的"導熱"專指"熱量"從"散熱片本體"的 A 點傳導至 B 點，"熱量"並沒有離開"散熱片本體"。
  
備註{ 導熱速率==>指"熱量"從"散熱片本體"的 A 點傳導至 B 點的速率。
  
散熱
  
專指將"熱量"從"散熱片本體"被驅離或帶走。
  
備註{ 散熱速率==>指"熱量"從"散熱片本體"驅離或帶走的速率.}

一般認為 cooler 的散熱面積越多越好，然而有的散熱面積風根本吹不到，因而成為"無效" 之設計，另外，有的切割過密，反而造成風吹不進去，反而降低導熱效果。所以，在 cooler sink 的製造上，並不是越大顆就代表散熱能力越強，有時適得反效果，因此，我們導入了"有效散熱面積"這項概念，可以用來解釋為何某些 Cooler 看起來"應該"效能不錯，但實際上卻效能不佳的原因。
  
"有效散熱面積" ==> "風扇的風吹得到的面積"和"熱量傳導得到的面積"的交集。
  
備註
  
{ SINK 表面積不變時==>"有效散熱面積"大小與"風量"大小成反比. }
{ "有效散熱面積"大小與"CPU 發熱量"大小成正比. }
{ "有效散熱面積"大小與"SINK 之導熱截面積"大小成正比. }
{ "有效散熱面積"大小與"SINK 材質之導熱速率"大小成正比. }

面積密度是針對散熱器而言。每個散熱器的平面區域所能形成的最大表面積，即稱為面積密度。
  
在 cooler 的設計上，面積密度越大越好，然而在實際的場合中，尚須視情況而定。過大的面積密度可能造成風不易導入散熱鰭片，而使得效果大打折扣。

每個造型不同的 cooler 都有其臨界風量，其指的是，當風扇的風量逐次增加，CPU Cooler 的散熱效能會逐漸接近一水平線，無法再提升，當達到某一個風量，而無法再顯著提升效能，便稱此風量為此 cooler 之臨界風量。
  
導入臨界風量可幫助吾人了解 cooler 效能的極限，並在效能與噪音之間取得一個最佳平衡點。

每個風扇廠所製造的風扇都有一個出風角度，由於中間為軸心，大致呈現一個"漏斗狀"形態向外。
  
由於 COOLER 中間部份為 CPU DIE 最熱部份，因此當風扇出風角度較大，也就是風較不易吹到 COOLER 最熱的中心點，因此會影響 Cooler 效能。反之，若風扇出風角度越密集，則較易吹到 cooler 最熱之中心點，而使得 cooler 的效果較為良好。由此可知，好的 cooler 廠必須慎選好的風扇來加以搭配。

近來 cooler 界為了提升風扇的效能而紛紛採用導熱係數較高的銅作為加工材料，然而銅有它的限制所在，如重量太大，使用上將有潛在性的問題。
  
在"導熱速率"方面"銅"比"鋁"快，但是,在"散熱速率"方面"銅"卻是比"鋁"要慢得多。因此這類的全銅 Cooler 必須採用高風量高風壓之風扇才易彰顯效果，但如此一來卻徒增電腦使用上之噪音，形成消費者之問題。
  
經過一陣子的導入銅材料，散熱界也逐漸回歸正途，了解到銅質的先天限制，而採用鋁質。

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