重裝CPU、GPU時代下的機內散熱設計(3)熱導管技術基本教戰

francisey

任誰都能看出，熱導管（Heat Pipe，或稱：熱管）技術已愈來愈普及運用在資訊產品上，為何過去不用而今日要用？原因無他，CPU、GPU的發熱量愈來愈大，同時礙於產品體積的限制，散熱片的體積不允許隨晶片發熱量的增加而對應增大，甚至還為了短小輕薄的討喜設計而限縮機內可用的空間，反而使散熱片可用的體積不增反減，在體積有限的情況下，又要提高散熱效率，因此必須採行熱導管技術。

　當然！除了熱導管外也有其他的散熱技術，如致冷器（也稱：致冷片、熱電致冷器）、水冷循環等，不過致冷器與水冷循環皆屬主動式散熱（Active Cooling），必須動用額外的電力才能發揮散熱效果，相對的熱導管與散熱片一樣，屬被動性散熱（Passive Cooling），不需要電能也能進行散熱，這對行動用的筆記型電腦，以及今日逐漸講究的節能理念下格外受用。
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▲圖中為熱導管的結構，左端為受熱端，右端為散熱端，右端散熱端的外部裝有散熱鰭片以加速熱的消散，管壁內則有毛細結構，可加速冷凝後的工作流體快速回流到受熱端，而介於受熱與散熱間的一段則稱為絕熱段。

    再者，水冷系統由於體積較大，因此多只能用在桌上型系統中，且必須是機內空間夠寬裕才能運用，對於準系統、超薄伺服器、刀鋒伺服器而言則難以使用，反之熱導管的體積嬌小，就連筆記型電腦也能使用。

　同樣的，雖然致冷器的體積也很嬌小，但致冷效果的耗用電力相當驚人，此外也有易脆的問題，容易因外力而損毀斷裂，因此也不適合用在電池供電的產品、移動性的產品上。相對的熱導管不用電能，也無易脆問題，加上體積嬌小之故，使其廣受使用。

　在資訊領域中，最先使用熱導管技術的產品為筆記型電腦，筆記型電腦體積小、電能有限、且經常移動使用，然筆記型電腦的處理器也愈來愈熱燙，在散熱片與電動風扇都難以因應的情況下，最先採行熱導管技術，此約是1998年、Mobile PentiumⅡ為開端，如今幾乎每一部筆記型電腦都會使用熱導管技術。
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▲浩鑫（Shuttle）的準系統桌上型電腦：SN41G2。圖中可見，SN41G2的機內使用4根熱導管為處理器進行散熱，導管受熱端與銅質平板（Copper Base）焊接，銅質平板則與處理器封裝表面接觸，以傳導處理器所發出的熱能，熱導管的另一端則用散熱鰭片與電動風扇來加速散熱，浩鑫稱此為I.C.E.技術。


　進一步的，桌上型電腦的機體也不斷在限縮，但CPU、GPU的發熱度卻不斷上升，因此桌上型電腦成為繼筆記型電腦後，第二個普遍使用熱導管技術的資訊產品，根據統計，平均每一部筆記型電腦會使用上3根的熱導管，而有採用熱導管技術的桌上型電腦，平均也用上2.5根的熱導管。此外工作站、伺服器等其他資訊產品也都將逐步採行。

　另外，現在有愈來愈多的視訊繪圖卡也採行熱導管技術，透過熱導管並搭配散熱片，之後再藉由機內的對流散熱或風扇的助力，使繪圖卡可以做到零風扇的設計，熱導管的另一個好處即是靜音，它與散熱片、致冷器一樣並沒有任何的「動件」，相對的電動風扇、水冷系統就有用上馬達的機械動件，不過水冷系統由於是以密閉方式進行運轉，所以沒有風切的噪音問題，與此相同的還有硬碟，硬碟的馬達也是在密閉環境中運轉，所以噪音可以控制、收斂。

　正因為熱導管技術日益重要，因此本文以下將針對熱導管進行更多的討論與瞭解。
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▲各種熱導管（Heat Pipe）、熱柱（Heat Column）的應用型態，管徑從3mm∼38mm，毛細結構有網目式或燒結（粉末）式，長度從3cm到15cm。

     ■熱導管的散熱原理

　熱導管本身是一個密閉的管狀容器，且一般為「長條管」型態，容器內裝有少許的「液體」，管的內壁運用技術處理使其具有「毛細結構」。

　接著，長條管的一端接近發熱處，使管內的液體受熱，受熱後液體達沸點而汽化、蒸發，蒸發後的氣體朝長管的另一端移動，到達管的另一端後，氣體透過管壁將熱能釋放，釋放熱能的氣體重新回復成液體，液體附著在管壁，而管內壁具有毛細結構，液體運用毛細原理開始往下回流，重新流回長條管的另一端，也就是接近發熱處的位置。如此週而復始，形成一個自然的循環散熱系統。

　更簡單說，管內液體經汽化後蒸發，氣體開始以「對流方式」進行散熱，散熱後氣體凝結成液體，冷凝之後以毛細方式再度回流。若以較嚴謹的方式解釋，接近發熱處、進行導熱效果的一端稱為「受熱端、蒸發區」，而熱消散的另一端稱為「散熱端、冷凝區」，管內的液體稱為「工作流體」。
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▲熱導管受熱端（段）的近處拍攝，圖中可見受熱端與銅質平板相連（透過焊接），銅質平板部分再與處理器封裝表面接觸傳導熱能，其中封裝與平板間也會使用上熱導膏（或稱：散熱膏）使接觸性熱傳導更快速。

     ■導熱管的屬性、類別

　在基礎原理後，進一步要瞭解更多的技術細節，這包括導管材料的選擇、毛細結構的選擇、工作流體的選擇、管徑決定、管長決定、管壁厚度、毛細結構厚度、蒸發區（或稱：蒸發段）長度、冷凝段長度、介於蒸發與冷凝間的絕熱段長度、以及是否要進行彎管等等。

　先就管材而言，管材的要求取向包括：1.不能與管內的毛細結構、工作流體產生化學作用（運作穩定性）。2.熱傳導率要高、熱阻要低（加速散熱）。3.不容易脆化（以防外力遭致導管斷裂）。4.焊接時有較佳的氣密性（加速導熱、散熱）。以此來看，最合適的管材多半為銅、鋁，目前尤其以銅、無氧銅為大宗。

　接著是毛細結構，事實上熱導管的主要類型區分也在毛細結構，現階段常見的毛細結構有溝槽式、網目式、纖維式、燒結式，其中又以燒結式為最佳，燒結式無論熱導管以何種方位角度放置都可無礙地進行毛細回流，其他的毛細結構則多少仍有導管方位、角度的限制，對行動用產品而言格外重視這項特性。此外，不同的管材也要搭配不同的毛細結構作法，有些管材不能使用燒結方式來實現毛細結構。

　再來是工作流體，也可說是導熱介質或冷媒，工作流體必須考慮它的熱傳量、熱阻性、蒸發溫度與凝結溫度、可用的運作溫度範疇，以及跟哪些管材不會發生化學作用。舉例來說，若以氨（Ammonia）為工作流體，則管材方面就不能選擇用銅，因為兩者會起化學作用。同樣的，選擇甲醇（Methanol）為工作流體，那麼管材就不能用鋁。

　除此之外，工作流體也要能與毛細結構適切搭配，流體的黏滯係數低，則毛細回流的速度快，如此可更快完成循環，可提升散熱效率，另外流體的表面張力大，進而增加毛細作用力，也一樣有助於快速回流。

　值得一提的是，流體注入管內後，為了讓流體有更低的沸點，使其只要稍受些許熱溫就能夠開始進行蒸發，所以多半讓管內以真空、負壓方式進行密閉。就目前而言，熱導管最常用的工作流體為水（Water），至於其他可選且常見的工作流體還有甲醇（Methanol）、乙醇（Ethanol）、丙酮（Acetone）、以及庚烷（Heptane）等。

　要注意的是，水雖是現有最理想的熱導管用流體，但水卻容易與鋁、鐵發生化學反應，所以選擇水為工作流體時，管材方面不能選擇鋁或鐵。
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▲「熱導管＋散熱鰭片＋電動風扇」已是常見的處理器散熱作法，圖中可見熱導管將右處平板的熱以彎管方式導往左處的散熱鰭片，而平板與鰭片間的電動風扇則向散熱片吹拂，將熱氣向外吹散。


　■管徑、管長、管厚等選定

　管材、結構、流體選定後，進一步的還要決定管徑、管長、管壁厚度、毛細結構厚度。

　首先是管徑，就理論而言，管徑愈大、管內截面積愈大，熱導管的散熱能力也會愈好，不過通常礙於產品機內體積的限制，使得熱導管的管徑無法過大，以最常運用熱導管的筆記型電腦而言，其管徑多數都在3mm（公釐）以下。而桌上型電腦有較寬裕的空間，通常使用6mm、8mm以上的管徑。

　同樣的，管長方面也是愈長愈能增加散熱力，然而此方面也同樣受機內體積而必須有所收斂，有時為了配合機內空間的配置設計，以及盡可能增加管長等因素，會讓熱導管進行角度性的彎管，然而彎管後對氣體的蒸發、液體的回流等也會有速率上的影響，這些都必須加以考慮。

　除了管徑、管長外，管壁厚度也必須考慮，原則上管壁愈薄愈好，愈薄愈有助於熱的傳導，不過管壁畢竟要承受外界的一大氣壓力（1atm）的壓力差，所以也不可能不斷薄化，否則容易導致導管內凹變形（受管外的大氣壓力而造成內壓變形）。

　當然，導管能承受多大的外壓，此與管材有密切關係，不過管材也並非隨時都有一定的強度，溫度一旦升高管材強度也會減弱，這時就必須倚賴較厚的管壁來防制內凹變形，就一般來說，以純銅做為管材，在受熱100℃以下時，建議的管壁厚度必須是管徑的1/79以上，若以前述的管徑3mm為準，則管壁必須厚過0.03797mm才行。

　另外，毛細結構部分除了選擇網目、燒結等各類型結構外，結構本身的厚度也必須權衡，結構上還有粉末，粉末顆粒的粒徑也必須考慮，還有孔隙度、視密度（apparent density）等，也都會影響毛細回流的速率。

　■熱導作用的變體

　除了熱導管外，以熱導原理進行散熱，或將小面積、高發熱（多指：裸晶）進行快速熱均配化的，還有熱柱（Heat Column）、熱板（Heat Base）等技術，由此可知，熱導管概念的產品在未來仍有極大的運用發揮空間，這對於電子設計人員而言必須要能善選善用，才能使設計的產品更良善、穩定地運作。