电子散热设计、管理速析
各位是否相信?电子产品的散热技术、散热管理等的设计,其重要性正与日遽增中,有愈来愈多的电子应用在设计时必须要考虑到热的问题,但同样的应用设计在过去却没有问题,或是使用简单的追加设计就能解决,如今却无法用相同的作法来打发。
另外,从今而后的散热设计也愈来愈艰困,过去的散热设计主要即在于保护性,保护产品在运作时不致发生过热,或在过热之前加以因应,而今这只是散热设计的最初步,现在则有更多的取向、因素必须去满足。
因此,本文以下将讨论今日电子散热设计的两个层面:1.有哪里些电子设计应用需要在散热方面投入更多的心力?为何过去不用而今日需要?2.散热设计除了达到过去一贯的「避免运作过热的保护」要求外,今日又有哪里些新的设计要点必须重视与留意?
▲过去最先需要散热片的是CPU,接著是GPU,再来是芯片组,如今连存储器模块也需要,图为FB-DIMM模块附加散热片的情形。
■制程不断缩密的挑战
今日电子散热设计所要面对的第一个问题就是:半导体制程仍持续不断的缩密,从90nm、65nm、迈向45nm,制程缩密的同时漏电功耗也遽增,以致在相同的单位面积内,所需要的用电量与废热产生也愈来愈大,1997年的PentiumⅡ不过58瓦特的用电,在当时已是怪兽级的空前用电,而今即将问世的Intel四核版处理器却已经破200多瓦特的用电,并直指300瓦特的大关,就连处理器在闲置的省电状态下都需要100多瓦特的电量。
不单是制程更缩密、裸晶电路面积更娇小化,相对的芯片封装面积也在娇小化,近年来常言的晶级封装(Chip Scale Package;CSP)只允许封装面积比裸晶面积大个50%,使得散热面积与以往相比更加有限。
更令人头痛的是,过去高热化的芯片通常只有一个,那就是中央处理器(Central Processing Unit;CPU),也只有中央处理器需要额外的散热关注与设计心力,特别是PC主机板的规格标准从AT转换成ATX时,ATX开始加入主机板上各元件配置位置的高度配置,美其名是要避免板卡插置时的空间冲突,但90年代中后期已少有长型板卡,板卡位置冲突的发生性已经很少,因此限定组件高度的绝大部分用意是为了处理器的散热,避免处理器的气流路径(Air Path)遭到阻碍。
至于现在,现在PC机内不再只有中央处理器是高热发散元件,绘图处理器(Graphics Processing Unit;GPU)成了第二号重点,有时甚至凌驾于CPU,特别是近年来GPU在晶体管用量上有超越CPU的趋势。更进一步的连芯片组也开始高热化,90年代后期的若干款PC芯片组已开始需要配属散热片,而今有些主机板制造商已经为芯片组加装电动风扇,特别是主机板不知道会配置到哪里种机壳内,因此必须以最坏的机内气流环境设想、打算。
▲在芯片发热愈来愈严重的情况下,水冷循环系统的使用已经愈来愈常见,图为冷媒管线流经两颗芯片的配置情形。(资料来源:LinuxHardware.org)
除CPU、GPU、芯片组外,存储器也开始高热化,自DDR SDRAM、DDR2 SDRAM开始存储器模块也需要配属散热片,这在过去根本不需要,不单是如此,已经获得JEDEC定案通过的新标准:FB-DIMM(Full Buffered Dual Inline Memory Module),更是让存储器的热问题更加严重,一条DDR2 SDRAM约耗用4瓦特5瓦特的用电,改采FB-DIMM设计后,由于追加了AMB(Advanced Memory Buffer)的转换、桥接芯片,使每一条DIMM的用电达10瓦特11瓦特的倍增。
更痛苦的是,FB-DIMM就是为了更密集、大量配置存储器模块而设计,FB-DIMM的推行者表示:在标准相同的线路数目、相同的电路板面积内,FB-DIMM能够比传统DIMM多出三倍的模块配置量。如此仔细一算,传统模块换成FB-DIMM都足以让用电倍增,若再想发挥FB-DIMM的密集、大量配置模块,则会使相同的电路板面积比过去多出5倍的用电(发热)量。
另外,近年来成长快速的FPGA也在散热问题上不可忽略,大型、高密度的FPGA已经达上千只的接脚,同时也积极采行最新、最缩密的半导体制程,只是一般量产的PC中不易见到,但在其它电子设计应用中,大型FPGA的散热问题也必须要开始考虑。
凡此种种,或许可以用另一种说法来概括:「摩尔定律」这帖药方持续有效,但药效之外的「副作用」却也愈来愈大。尤其制程再更缩密后,裸晶的发热位置将更缩小、集中,如此芯片封装的散热技术就更重要,能否将裸晶的热,快速且平均导到封装面积上,也成为封装工艺上的一项空前新挑战。
▲愈来愈多的液晶显示器改用LED/WLED做为背光,图为(东芝)Toshiba Matsushita Display Technology Co., Ltd.(简称:TMDisplay)在11.1英寸液晶显示器使用LED/WLED背光,然LED/WLED背光需要比过往更注重散热设计。(资料来源:www.3toshiba.co.jp)
■短小轻薄的设计压力
有些人以为只有手持行动用的掌上型电子产品,才会有短小轻薄的设计压力,事实上几乎所有使用、应用层面的电子产品,都遭受空前的空间设计压力。
手持式在此就不用多提了,各位看看居家客厅的电视,平面化电视是今日的趋势,平面化电视的标榜也包含了「薄型化」的特点在其中,如此也等于限缩了电视机内可用的散热空间。
即便不谈论LCD、PDP等数码薄型电视,而来谈论使用CRT阴极射线管(俗称:映像管)的传统电视,在其发展的后期也开始标榜「短管」、「超短管」,也就是限缩映像管的长度,进而使电视的厚度减少,如此一样使机内散热空间减少。
除了电视机外,再看看会议简报、家庭剧院所用的投影机,投影机也一样愈来愈讲究短小轻薄,过去需要用手推车搬运的投影机,如今已经小到可以用手提箱携行,有些甚至已经到只比便当盒大一点的水平,所以投影机也同样面临机内体积限缩的问题,连带的也给散热设计更大的压力。
▲客厅首重舒适,因此积极打入客厅的个人计算机:媒体中心(Media Center)。此方面也有业者采行零风扇的设计,完全用热导管与散热片替代,例如图中的Hush E3媒体中心。
再者,各位看看高效运算(High Performance Computing;HPC)领域的超级计算机,网际资料中心(Internet Data Center;IDC)的端缘运算布建、刀锋服务器,这些运算设备愈来愈重是的不再只是效能,也不再只是价格效能比,而是效能用电笔、效能体积比,特别是效能体积比,由于机房占地有限,不可能在短时间获得拓建,所以现在的超级计算机、服务器用户都比过去更加要求:必须在相同的机房、机柜空间内,装入更多部服务器、更多颗处理器,如此最后还是一样:苦了散热设计。
而且,现在的机房业者愈来愈讲究用电的精省,因为电费在业者的营运成本中占有极高的比重,新设备若需要更高的用电,或在地发电业者将电费涨价,将明显冲击与影响其收益,所以业者也会尽可能希望使用最省电的散热作法,如此使用电能进行散热的电动风扇、致冷器、水冷循环等技术将有较大的顾忌,而必须更加善用散热片、热导管等不需电力的技术。
■高亮度、高功率LED应用
再来就是新电子照明所产生的散热问题,由于蓝光、白光LED在亮度方面的技术突破,使LED成为新兴的电子照明应用,过去用EL、CCFL做为背光(Backlight)的LCD显示器,如今开始改用LED/WLED做为背光,然而就用电效率与散热等特性而言,LED/WLED并没有过去EL、CCFL等来的理想。
特别是在大画寸的电视应用上,大画寸电视若以LED/WLED为其背光,则LED/WLED的使用数量将相当高,达数百、上千之谱,加上必须密集排列、配置LED/WLED,如此散热问题也就更加严重,这迫使背光部分必须用上电动风扇来加速散热,不过这也经常招致消费者抱怨,他们在观赏电视时不仅听到节目的声音,也听到了不想听到的机背风扇声。
LED/WLED不仅用于液晶电视的背光,另一个被看好的高亮度LED应用是汽车的车灯,特别是头灯的部分,一旦头灯也改用LED照明,则全车就有机会达到完全以LED做为照明与指示的设计,进而完全弃舍过去的车用照明技术。
不过,过去WLED不能做为汽车头灯、主照灯,而只能做为方向灯、指示灯的原因,就在于亮度问题,而今开始可行的原因是在于LED业者积极在亮度技术上突破,然而积极于亮度方面的结果也产生了相同的老问题:更大的功耗与散热,因此车头灯改用WLED已是可行,且有愈来愈多的车款如此采行,但散热设计也就必须比过去更加投入与费心。
▲Intel于2005年8月所揭露的社区用社群计算机:Community PC,Community PC是以印度乡村的公用计算机为其想定,因此特别强调散热设计,以及散热风扇的抗尘侵、抗虫入等设计。(资料来源:Intel.com)
当然!WLED不仅在液晶背光或车用灯,包括红绿灯的交通号志,以及美术灯等各种照明层面都开始普遍使用,这同样要考验散热设计,特别是这些照明应用都是长时间使用,且经常在各种公众环境使用,如此散热方面就更难设计,尤其风扇最忌沙尘、湿淋等问题,在客厅、办公室可以用风扇,但在公众环境用风扇就有较大的困难。此外也开始有业者用LED/WLED做为投影机的灯泡,如此对过去的投影机散热设计师而言,也必须适应新的散热设计方式。
金砖四国市场也重视散热
最后,以金砖四国为目标市场的电子产品,恐怕也得比过往的相同产品更注重散热问题,单以PC为例,在先进国度中PC多是在有完善空调的办公、居家等场合中使用,但在金砖四国市场,由于现有购买力的因素,可能会先推行公用计算机,如Intel的Community PC、Microsoft的FlexGo等即是此种构想的代表,然公用计算机所处的公众场合、环境可能相当高温,如此以外部空气对流以进行散热的作法(如散热片、散热风扇)将会打折扣,恐必须更考虑内部热交换作法的热导管、水冷循环设计。
此外,金砖四国市场的交通便利性尚不如先进国度,加上金砖概念产品多半诉求平价,如此就必须减少销售后的支持维修,所以必须尽可能少使用电动风扇技术,理由是:与其它散热技术相比,电动风扇的组件寿命较短,经常频繁保养与换新,且若以印度为使用设想,还必须防止沙尘、昆虫等对风扇的影响,因此风扇部分还必须比过往有更好的抗尘侵、抗虫入等设计。
凡此种种,都在在说明:散热设计、散热管理已到了空前的新挑战局面,散热不仅要稳定可靠,还要舒适安静,还要因应产品的短小轻薄,还要尽可能节能,散热设计不再只是专注于避免运作过热,从今而后有更多更多因素层面需要列入考虑。
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