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。
