重裝CPU、GPU時代下的機內散熱設計(2)散熱片技術基本教戰

juney

在電子設計的熱管理當中，散熱片（Heat Sink）絕對是最基礎、基本的一項運用，在一般自然對流無法及時散熱的情況下，且尚無必要使用電動風扇的強制對流散熱前，絕大多數是使用散熱片來因應。

　即便到了要使用電動風扇（Fan）進行散熱的程度，散熱片也不會因此而廢棄，事實上現有的作法多是讓散熱片與電動風扇相輔搭配，以最常見的機內處理器為例子，處理器是先透過散熱膏（或稱：熱導膏）與散熱片相連，之後才在散熱片上端加裝電動風扇，以此來加速散熱，而非有了電動風扇後，就完全不再使用散熱片。
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▲即便是已採行電動風扇，甚至是熱導管，也多半仍需散熱片的搭配輔助，圖為筆記型電腦等機內低矮空間限制時的散熱設計模型，除了風扇外，在氣流的進出口位置也有設置散熱片。

■散熱片的製程類型

　以何種方式來製造、形成散熱片，此對於散熱片的散熱性能、成本有著極大的直接關連，以下我們逐一介紹各種散熱片的製法，以及各種製法的特性差異。

　1.壓印法（Stamping）：將散熱金屬透過機械壓印方式壓印成想要的散熱片形體，此種作法的程序簡單、成本低廉，但散熱效果有限，今日許多記憶體模組所用的散熱片多採行此種方式。

　2.擠製法（Extrusion）：將散熱金屬以高壓方式推擠，推擠後金屬會依據模孔的形體而變形，如此即形成所要的散熱片形體。推擠方式是目前最常用的散熱片製法，一般而言散熱效果較壓印法理想。要注意的是，銅金屬因本身特性不易加工，因此不能使用擠製法，擠製法多用在較好塑形加工的鋁質散熱金屬上，因此有時也稱為鋁擠法、鋁擠式散熱片。

　3.鑄造法（Casting）：將散熱金屬先用高溫加以融化，融成液狀後再注入到鑄模中，再經過冷卻即可形成所要的散熱片形體。可想而知的，鑄造法必須先將金屬熱融，光能源與治具開銷就讓鑄造法成本居高不下，不過此法的塑形及散熱效果也更佳。要提醒的是，在金屬冷卻成形的過程中，倘若金屬內有氣體、氣泡存在，使金屬均質性變差，連帶也會影響散熱片的熱導傳性。
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▲威立達公司（ATake）的PipeTower散熱器，該散熱器內已設置一個垂直放置的熱導管，但導管外部仍有設置散熱片，此外散熱器的側面也可裝設電動風扇，以側吹方式加速散熱。

    4.接黏法（Bonding）：有別於前述的一體成形法，接黏法是分開製出散熱片的「底部」與散熱片的「鰭部」，之後再以接黏方式將「底」與「鰭」相連成形。接黏法的好處是可以製出比前述作法更高的散熱鰭（Fin），鰭愈高意味著有更大的散熱表面積，能增進散熱效果。

　不過，接黏法也考驗接黏所用的黏劑，必須使用熱導性高的黏劑才行，否則導熱、散熱效果會打折扣。就一般來說，接黏法通常使用導熱膠或焊錫作為黏劑，黏劑一方面要講究熱傳導性，另一方面也要夠低廉，近年來的新改良作法是用「鋁充填膠」做為黏劑，此有助於降低製造成本。

　5.折疊法（Folding）：折疊法與接黏法相同，皆非一體成形的作法，折疊法的鰭部是以金屬片折疊而成，透過折疊方式來增加散熱表面積，然後再將「鰭」以焊錫或銅焊接的方式與「底」相連。由於作法與接黏法相近，因此折疊法的弱處也與接黏法類似：兩段式成形（分底部與鰭部，再加以合併），增加製造程序與成本，以及接合處的熱傳導性較受考驗。然優點也相近：較佳的散熱率。

　6.改良式鑄造法（Modified die-casting）：前述的鑄造法為一體成形法，而此處的鑄造法則與接黏法、折疊法相同，屬於兩段式成形法，鰭部與底部分開製造，但底部在鑄模內即將冷卻成形時，將鰭部與底部浸觸，如此即可自然地冷卻接黏，此種接法的優點即在於熱傳導性高，因為是金屬融合，沒有用上其他的接黏用介材，同時分開製造時可盡量增加鰭的高度，使散熱表面積增加，進而增加散熱效率。至於缺點則是成本比一體成形的鑄造法還要再高。
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▲目前DIMM記憶體模組所用的散熱片多半以壓印方式製成，圖為威立達公司（ATake）公司的Ram Sink I，適用於SDR、DDR、以及DDR2等類型的記憶體模組中。


    7.鍛造法（Forging）：鍛造屬於「一體成形」法，此法運用極高的壓力將散熱金屬塊敲入壓模內，進而形成所需的散熱片形體。若更細部了解，還可以區分成「熱鍛」與「冷鍛」，技術上熱鍛較為容易，而冷鍛則是較精密，且冷鍛而成的散熱鰭片較具強度。

　鍛造法與鑄造法相同，必須在製造過程中多加留心，鍛造由於是用壓力敲擊方式來使鰭片成形，且期望鍛造出極高、極長的鰭片，則會使壓模部份更為內深，更內深的結果有可能因壓敲的不均，而導致成形後的鰭片高低不一。不過整體而言鍛造法可製出較長較高的散熱鰭片，且與散熱底部一體成形，且具有較高強度、較少的表面粗糙度等優點。

　8.切削法（Skiving）：切削法是將散熱金屬塊以刀具進行切削，切削出弧狀的鰭片，並保留底部不進行切削，如此便形成一個不用接黏，一體且單一材質的散熱片，且弧形鰭片能使散熱性更佳，原因是弧形鰭片能較一般鰭片更為薄化。

　要注意的是，前面已提過：銅質散熱金屬不易加工，因此除了不適合用推擠方式成形製造外，切削法也一樣不適合，目前切削法多用於鋁質散熱金屬，銅質仍處在試驗階段。

　9.機械加工法（Machining）：機械加工法是運用機械加工的方式，將散熱金屬塊上的部份料材去除，以此來形成所要的散熱片形體。機械加工法最常見的作法是使用電腦數值控制（Computer Numerical Control；CNC）的機械加工機，運用加工機上的切割鋸，以精密的控制操作，將散熱金屬塊切割成幾何形體，使散熱片成形。
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▲用電腦進行推演，推演太空梭重返大氣層時的高速氣流狀態。同樣的，散熱片設計時也需要進行相同的的熱流分析。

     就目前來說機械加工法有優點也有缺點，優點是由電腦控制，使生產製造流程能夠高度自動化，進而降低產製成本，而缺點則是在加工過程中，鰭片部份容易產生破壞或扭曲，必須進行二次加工來加以調修。

　雖然優缺並存，然透過生產與控制的持續經驗累積及實務精進，未來調修成本會漸減，自動化效益會漸增，現階段業界對機械加工法的未來性都相當看好，認為仍有很大的發揮空間。

　■散熱片的材料

　材料指的正是散熱金屬的本體材質，最典型的莫過於銅（Cu）或鋁（Al），姑且不論金屬的價格，兩種金屬在散熱運用上有著不同的取向特性。

　就熱傳導性而言，銅的表現勝於鋁，銅為390W/m-K，鋁則為209W/m-K，很明顯銅比鋁多出86.6％的熱傳導力，按理而言銅比鋁更適合用於散熱片。不過，熱傳導性並非是散熱金屬的唯一考量選擇，在其他方面的表現上銅就不如鋁。

　如前所述，銅的加工性不易，如此不僅使製程方式的選擇受限，在銅、鋁皆可用的製程下，銅對加工器具的損耗也較大，例如用機械加工法時不僅加工器具會比用鋁來的更快耗損，且加工時間也較長。

　此外，銅的重量是鋁的三倍，而今日多數的電子設計都講究短小輕薄，銅的重量也成為選用時的一大顧慮。

　話雖如此，但並不表示銅全然無法使用，事實上應當採行重點式使用或搭配性使用，例如散熱片的底部最接近發熱處，需要較好的熱傳導性，此部份可採用銅，使熱能更快擴散到各鰭片上，而底部之外的鰭片部份就可採用較輕、塑性與加工較易的鋁材來實現。
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▲Harvard Thermal, Inc.（簡稱HTI，已由ANSYS公司所收併）的TASPCB設計軟體，TASPCB可用來輔助設計散熱片，圖中即是散熱片函式庫（Library）的編輯畫面。

    除了銅、鋁之外，鋅合金（Zn Alloy）、鎂（Mg）等也是常見的散熱片材質，同樣的，鋅合金、鎂也不見得能適用所有的製程方式，例如鋅合金可用改良式鑄造法製造，但卻不適合用推擠法製造，或如鎂適合用接黏法製造，但卻不適合用折疊法製造。

　更進一步的，部份的聚合物（Polymer）、以碳（C）為基礎料材的化合物、金屬粉末燒結、化合性的鑽石、石墨等的材質，也都有不錯的熱傳導性，然而同樣的：熱傳導性並非是選材的唯一考量，除了前述的價格、加工性、重量外，熱膨脹係數、熱傳導的控制性、是否有毒性等也都必須列入考慮，雖然新提出的熱傳導材料都有更好的熱導表現，但先期價格多半都貴過傳統的鋁金屬，這使的新料材不易普及推行。

　■各環節的分析與決定

　瞭解散熱片的製法與料材後，更後續的工作即是散熱片整體的體積決定、鰭部的形狀決定、底部的厚度決定、以及相關散熱搭配的決定（如：電動風扇、熱導管等）。

　最後若更嚴謹高標要求，還需要進行計算流體力學（Computational Fluid Dynamics；CFD）的熱流分析，此方面可用CHAM的Phoenics、ANSYS的CFX、CD-adapco的STAR-CD等推演（Simulate）軟體來加速觀察與設計。
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▲FLUENT公司（已由ANSYS公司所收併）針對教育市場而推行的「計算流體力學」分析工具軟體：FlowLab。

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