电子产品散热技术最新发展
高弘毅
最近几年LSI、数码相机、移动电话、笔记本电脑等电子产品，不断朝高密度封装与多功能化方向发展，散热问题成为非常棘手的课题。LSI等电子组件若未作妥善的散热处理，不但无法发挥LSI的性能，严重时甚至会造成机器内部的热量暴增等。然而目前不论是LSI组件厂商，或是下游的电子产品系统整合业者，对散热问题大多处于摸索不知所措的状态，有鉴于此，介绍一下国外各大公司散热对策的实际经验，深入探索散热技术今后的发展动向，是很有必要的。
散热技术的变迁
如图1所示由于“漏电”问题使得LSI的散热对策是系统整合的责任，这种传统观念正面临极大的变革。此处所谓的漏电是指晶体管（ transistor） 的source与drain之间，施加于leak电流的电源电压大晓而言。理论上leak电力会随着温度上升不断增加，如果未有效抑制热量意味着leak电力会引发更多的热量，造成leak电力持续上升恶性循环后果。
以Intel新推出的微处理器（micro process）而言，它的消费电力之中60%～70%是属于leak电力，一般认为未来1～2年leak电力仍然扮演支配性角色。在此同时系统整合业者，由于单位体积的热量不断膨胀，使得如何将机器内部的热量排除更是雪上加霜，因此系统整合业者转因而要求LSI组件厂商，提供有效的散热对策参考模式，事实上Intel已经察觉事态的严重
性，因此推出新型微处理器的同时，还提供下游系统整合业case，因此未来其他电子组件厂商未来势必跟进。
如上所述LSI等电子组件的散热对策，成为电子业界高度嘱目焦点，主要原因是电子产品性能快速提升所造成。以往计算机数字家电业者大多忽视漏电电力问题的存在，甚至采取增加电力的手法补偿漏电电力造成的损失，电子产品散热技术最新发展（ 上）图1 电子组件散热对策的变化趋势
未来将变成优先抑制热量，以此提升产品的性能。
为了刺激消费者购买笔记本电脑的意愿，LSI组件厂商不得不提高微处理器的动作频率，电视与DVD业者也不干示弱，积极提升影像显示器的影像处理能力，例如目前液晶电视显示画面时的辉度，已经比以往提高两倍，大约是380cd/m2左右。然而液晶电视与笔记本电脑最大差异，是消费者要求笔记本计算机轻巧化高性能的同时，耗电量大幅增加使得单位体积的热密度相对提高，DVD、数码相机等电子产品，虽然同样也面临单位体积的热密度问题， 不过由于显示画素受到format的限制，因此记录方式的规格变更与取像组件高画素化，却不因热密度问题受到阻碍反而更快速进步。等离子电视与液晶电视等平面显示器的进化，似乎也没有因为热密度问题受到额外的干扰，相反的随着平面显示器的薄型化、高辉度化与大型化，反而更具备降低热密度的条件。一般认为由于因特网的普及化，可作互动沟通的通信产品与平面显示器，未来有可能遭遇热密度上升的挑战，如此一来LSI电子组件的散热对策会更加困难，因为热密度提高意味着散热空间越小。
除此之外，电子组件的增加与静音化势必成为散热对策时的附带诉求（图2）。
如图3所示有热能考虑的电子
组件大致上可分为会产生高热量的电子组件和对热很脆弱的电子组件两种。
传统观念认为所谓的散热设计，只要妥善处理会产生高热量的微处理器与其他电子组件即可，不过随着电子产品多功能化，因此进行高热量的影像处理LSI、内存等电子组件散热设计的同时，也需要将对热能很脆弱的电子组件列入考
虑，例如DVD的光学读写头、数码相机的CCD与CMOS等取像组件以及液晶面板等等，都是典型对热能很脆弱的电子产品。
散热静音化
由于笔记本电脑散热静音化格外受到消费者的重视，因此业者不得不采用更先进的散热技术。因为传统强制冷却风扇的噪音逐渐受到很嫌弃，进而促成可快速散热的石墨膜片((graphite sheet)， 与利用pump作冷却液循环的水冷式散热
device成为市场新宠，其中又以噪音值低于30dB的水冷式散热设计，已经广泛应用在各种电子产品，达成无冷却风扇超静音的目标，一般
认为未来水冷式散热设计可能会延伸至数字家电等领域。
如上所述无风扇散热设计虽然已经成为笔记本电脑的主流，不过对大部分的系统整合业者而言，若无LSI组件厂商的协助，要达成无风扇散热设计显然不太容易，因为以往LSI组件厂商只愿意
提供电子组件的最大消费电力，图3 需作散热设计的电子组件 图2 散热设计面临的课题
然而系统整合业者进行包含device在内的散热模拟分析（simulation）时，必需建立各种条件时的消费电力模式，由于欠缺完整的组件
数据，业者无法获得精确的数据。
这意味着未来LSI组件厂商与系统整合业者的互动会更加频繁，必要时LSI组件厂商有责任提供有助散热的附属device，并推荐散热设计模式。图4是NEC开发的散热仿真分析软件应用实例，根据NEC表示该散热仿真分析软件，该软件不但可作LSI电子组件仿真分析，甚至系统的外筐散热也能胜任。除此之外该公司同时还开发新型的水冷技术，该技术可使冷却液在三次元积层的LSI各层循环，图5是应用这种新型水冷技术的二极管（diode）外型。
数字电子产品的散热决定device散热对策的要素有两个：搭载device机器的单位体积消费电力和成本的容许度。
单位体积的消费电力，由于热密度越大造成要在狭窄空间，要将更多的热量排出筐体外部的散热设计越不容易。成本的容许度，是指机器的价格越高，相对的散热设计获得的成本容许度越大，更有裕度采用成本较高的新型散热技术。热密度越高成本容许度越大的
产品，以笔记本电脑最具代表性；热密度较低成本容许度较小的产品，类似数码相机、DVD等；热密度较低成本容许度极大的产品，则有等离子电视、大型液晶电视等平面显示器。
由于笔记本电脑的散热设计已经缔造先例，能同时满足性能与成本两大课题，因此今后势必会对其他电子产品产生示范效应。值得注意的静音化散热设计的加入，尤其是新型笔记本电脑大多采用无冷却风扇设计，使得冷却风扇的生存空间，可能会遭受溃散性的压缩。例如松下与SONY基于笔记本电脑轻巧化考虑，率先采用热扩散性极高的石墨膜片，进而达成无冷却风扇散热设计。
松下的笔记本电脑使用动作频率为1.2GHz，12W的微处理器利用石墨膜片作散热，该石墨膜片与铝形成复合化以此改善弯曲加工，同时再用铝压着加工技术将石墨膜片周围密封，防止石墨膜
片发生粉尘影响外观（图6）。微处理器产生的热量可以扩散至石墨膜片，并传导至键盘背部与外筐排至外部，这种新型散热机构的重量，比传统冷却风扇散热设计减少15g，14英寸SXGA液晶面板+DVD-ROM之后的整体重量只有1499g。
SONY的笔记本电脑使用7W的微处理器，它是利用设于主机板(mother board上下方的石墨膜片，将微处理器产生的热量扩散至外筐散热。根据SONY表示该散热机构的重量比传统冷却风扇散热设计减少一半，成本则完全相
同（图7）。至于30W以上高阶笔记本电脑，若单纯利用石墨膜片散热，可能无法达成预期效果，基于散热性能比轻巧化更重要等考虑，因此日立公司在2002年9月推出全球首度使用水冷模块的笔记本电脑，虽然事后并没有其他业者跟进，不过随着微处理器的消费电力不断刷新，使得冷却风扇的噪音问题再度受到相关业者的注意。NEC开发笔记本电脑专用超
薄型水冷模块，该水冷模块为达成静音特目标， 采用厚度只有5mm的压电pump，模块内部设有循环水路的铝质散热板厚度低于3mm，图8是水冷模块的结构与应用实例。有关水冷模块冷却液的
挥发性，由于该模块采用液体穿透性极低的材料，同时提高模块的密封性，因此可以有效减少冷却液的挥发，使得冷却液补充槽的体积只有以往的1/10左右。东芝
试作的水冷模块可将微处理器的热量，扩散至设于液晶面板背面的散热板（图9）。该公司认为这种方式未来会成为高阶笔记本电脑的散热设计主流， 因此预定2004年推出水冷式笔记本电脑。
事实上全球首度使用水冷模块的日立公司，也坚信30W以上静音高阶笔记本电脑，除了水冷方式没有其它方法可供选择。
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