散热片之设计与在电子冷却技术中之应用刘君恺一、介绍利用散热片来.PDF

散熱片之設計與在電子冷卻技術中之應用 劉君愷 一、介紹 利用散熱片來增加散熱的面積是熱管理技術中最常見也是最基本的方式， 隨著電子元件發熱密度增加的趨勢，散熱的需求日益增加，散熱設計的困難度越 來越高，所花費的成本也越來越多。舉例而言，早期PC 的CPU 如286 ，發熱瓦 數只有十幾瓦，因此只要約3 公分高的散熱片加低轉速風扇就可解決，但是目前 PC 的CPU 用散熱片高度卻達到3 倍，鰭片數目增加3 倍，風扇轉速也提升一倍， 成本則增加5 、6 倍以上。雖然新製程及設計技術不斷提升，散熱片的應用在有 限空間的限制下，似乎有漸漸趨向極限的趨勢，未來各種不同的冷卻技術如水 冷、冷凍循環以及浸入式沸騰冷卻等都可能用來解決散熱問題。儘管如此，散熱 片仍是最經濟、最可靠的散熱方式，因此如何提升散熱片的效率成了很重要的課 題。 因此為了滿足未來電子散熱的需求，在散熱片的形狀、材料及製程上都必 須有更新的技術，此外整合其他散熱元件的設計方式的也可以增加應用時的效 率。本文將介紹散熱片的種類及製程，散熱片的應用以及未來的設計需求。 二、散熱片的種類 許多的散熱片設計由於忽略了製造的概念，使得研發產品的可靠度及成本 成為最後量產的障礙。由製造方式來看，氣冷的散熱片可分為下面幾種，如圖一 所示，表一則為製程性能參數的整理。 1. 壓印(Stampings)散熱片 銅片或鋁片可用壓印的方式製成所需的形狀。此 種製程成本低，適合量產，可用於低熱密度的元件。而壓印的元件在組 裝上也有自動化的便利性，因此可進一步降低成本。 2. 擠型(Extrusion)散熱片 擠型的製造方式是由將材料在高壓下強制流入模 孔中成形而使得固體轉換為等截面的連續長條。擠形是散熱片製造中最 廣泛使用的方式，設備投資的經額中等。可經由橫切的方式產生矩形的 針狀散熱片，可產生鋸齒狀的鰭片以增加 10~20%的效能，但會降低擠 型的速度。擠型的高寬比限制可高到6 ，使用特殊模具設計時則可到10 的高寬比。 3. 鑄造(Casting)散熱片 將熔化的金屬加壓到金屬模中，以產生精確尺寸的 元件。此技術可產生高密度的針狀散熱片。高的治具費用是最大的成本 投資，但適合大量生產的低元件成本可補回此部分。鑄造散熱片的熱傳 導性會受到固化時氣體滲入而產生多孔狀而降低。 4. 接著(Bonding)散熱片 接著散熱片將鰭片組裝於散熱片底部，接著劑對 散熱片的效率影響很大，如果製造不當，會形成熱的阻礙，一般使用導 熱膠或是銲錫。接著散熱片的底部由於需特別加工，因此會使得成本較 高，但由於製造技術的提升，以及接著劑的改良，如熱導性的鋁填充膠 等，使得接著散熱片的成本降低。此種製程方式可製造高寬比高的散熱 片，在不增加體積需求下可大量增加冷卻效率。 5. 摺疊(Folding)散熱片 摺疊散熱片將金屬片摺疊成鰭片陣列形狀，由於將 摺疊的金屬片藉由銲錫及銅焊接的方式焊接於散熱片底部，因此在介面 上造成額外的熱阻。在製作上的步驟增加，使得成本提升。而製造小間 距的鰭片也是困難點。由於增加散熱面積，因此散熱效率不錯， 6. 改良式的鑄造(Modified die-casting)散熱片 此種製造方式是傳統鑄造方 式的延伸，首先將相當薄的壓印鰭片陣列以間格物隔開，然後以夾具固 定，使散熱片的底部鑄造時將鰭片固定於底部，而形成散熱片。此種方 式消除了鰭片及底部材料的介面熱阻，此種製程可提供高的高寬比。 7. 鍛造(Forging)散熱片　鍛造散熱片是用非常高的壓力敲擊（punch ）方式 將金屬材料壓入模中使鰭片成形，可能遇到的製程上的問題是材料會阻 礙在模子中，使得高度不均一，熱鍛造比較容易，而冷鍛造可製造較密 及較強的鰭片。鍛造方式的優點包括高強度、較小的表面粗糙度以及材 料的均一性等。鍛造方式的散熱片具有較高的高寬比。 8. 切削(Skiving)散熱片 這是一種新的散熱片製程方式，鰭片用特殊的刀具