散熱片之設計與在電子冷卻技術中之應用

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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..