散热设计（五）散热片之设计与在电子冷却技术中之应用 散热设计（五）散热片之设计与在电子冷却技术中之应用刘君恺 介绍利用散热片来增加散热的面积是热管理技术中最常见也是最基本的方式，随着电子器件发热密度增加的趋势，散热的需求日益增加，散热设计的困难度越来越高，所花费的成本也越来越多。举例而言，早期PC的CPU如286玻璃退火炉
，发热瓦数只有十几瓦，因此只要约3 公分高的散热片加低转速风扇就可解决，但是目前PC的CPU用散热片高度却达到3 倍，鳍片数目增加3 倍，风扇转速也提升一倍，成本则增加5、6倍以上。虽然新制程及设计技术不断提升，散热片的应用在有限空间的限制下，似乎有渐渐趋向极限的趋势，未来各种不同的冷却技术如水冷、冷冻循环以及浸入式沸腾冷却等都可能用来解决散热问题。尽管如此，散热片仍是最经济、最可靠的散热方式，因此如何提升散热片的效率成了很重要的课题。因此为了满足未来电子散热的需求，在散热片的形状、材料及制程上都必须有更新的技术， 此外集成其它散热器件的设计方式的也可以增加应用时的效率。本文将介绍散热片的种类及制程，散热片的应用以及未来的设计需求。
散热片的种类
许多的散热片设计由于忽略了制造的概念，使得研发产品的可靠度及成本成为最后批量供应的障碍。由制造方式来看，气冷的散热片可分为下面几种，如图一所示，表一则为制程性能参数的整理。
1. 压印(Stampings)散热片
铜片或铝片可用压印的方式制成所需的形状。此种制程成本低，适合批量供应，可用于低热密度的器件。而压印的器件在组装上也有自动化的便利性，因此可进一步降低成本。
2. 挤型(Extrusion)散热片
挤型的制造方式是由将材料在高压下强制流入模孔中成形而使得固体转换为等截面的连续长条。挤形是散热片制造中最广泛使用的方式，设备投资的经额中等。可经由横切的方式产生矩形的针状散热片，可产生锯齿状的鳍片以增加10~20%的效能，但会降低挤型的速度。挤型的高宽比限制可高到6，使用特殊模具设计时则可到10的高宽比。
3. 铸造(Casting)散热片
将熔化的金属加压到金属模中，以产生精确尺寸的器件。此技术可产生高密度的针状散热片。高的治具费用是最大的成本投资，但适合大量生产的低器件成本可补回此部分。铸造散热片的热传导性会受到固化时气体渗入而产生多孔状而降低。
4. 接着(Bonding)散热片
接着散热片将鳍片组装于散热片底部，接着剂对散热片的效率影响很大，如果制造不当，会形成热的阻碍，一般使用导热胶或是焊锡。接着散热片的底部由于需特别加工，因此会使得成本较高，但由于制造技术的提升，以及接着剂的改良，如热导性的铝填充胶等，使得接着散热片的成本降低。此种制程方式可制造高宽比高的散热片，在不增加体积需求下可大量增加冷却效率。
5. 折迭(Folding)散热片
折迭散热片将金属片折迭成鳍片数组形状，由于将折迭的金属片藉由焊锡及铜焊接的方式焊接于散热片底部，因此在接口上造成额外的热阻。在制作上的步骤增加，使得成本提升。而制造小间距的鳍片也是困难点。由于增加散热面积，因此散热效率不错。
6. 改良式的铸造(Modified die-casting)
散热片此种制造方式是传统铸造方式的延伸，首先将相当薄的压印鳍片数组以间格物隔开，然后以夹具固定，使散热片的底部铸造时将鳍片固定于底部，而形成散热片。此种方式消除了鳍片及底部材料的接口热阻，此种制程可提供高的高宽比。
7. 锻造(Forging)散热片
锻造散热片是用非常高的压力敲击（punch）方式将金属材料压入模中使鳍片成形，可能遇到的制程上的问题是材料会阻碍在模子中，使得高度不均一，热锻造比较容易，而冷锻造可制造较密及较强的鳍片。锻造方式的优点包括高强度、较小的表面粗糙度以及材料的均一性等。锻造方式的散热片具有较高的高宽比。
8. 切削(Skiving)散热片
这是一种新的散热片制程方式，鳍片用特殊的刀具加工，使得弧状的精密薄片由金属块削出，由于鳍片和金属块是相同材料，因此没有接着散热片或是折迭散热片的缺点。由于制
程技术的增进，目前也可制造出高密度的鳍片。目前采用的是option606063铝，铜的切削还在实验阶段。由于切削深度可以相当低，鳍片的厚度可以较薄，可以设计较轻性能较高的散热片。
9. 机械加工(Machining)散热片
藉由机械加工的方式将材料从金属块中移除以形成鳍片的形状。最常用的方式是在CNC 机器上采用一组切割锯，锯子之间有精密的距离，以切割出鳍片几何形状。由于加工时容易造成鳍片的破坏或卷曲，因此需二次加工。优点是容易自动化，因此未来仍有使用空间。
＜图一＞散热片制造方式
＜表一＞各种制程的能力及材料【2】
散热片的应用方式
散热片的选用，最简单的方式是利用热阻的概念来设计，热阻是电子热管理技术中很重要的设计参数，定义为：
Ｒ＝ΔT / P
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其中ΔT 为温度差，P 为芯片之热消耗。热阻代表器件热传的难易度，热阻越大，器件得散热效果越差，如果热阻越小，则代表器件越容易散热。IC 封装加装散热片之后会使得芯片产生的热大部分的热向上经由散热片传递，由热阻所构成之网络来看，共包括了由热由芯片到封装外壳之热阻Rjc，热由封装表面到散热片底部经由接口材料到散热片底部之热阻Rcs，以及热由散热片底部传到大气中之热阻Rsa 三个部分。
＜图二＞散热片应用之热网络图
Rjc 为封装本身的特性，与封装设计有关，在封装完成后此值就固定，须由封装设计厂提供。
Rjc=(Tj-Tc) / P
Tj为芯片接口温度，一般在微电子的应用为115℃~180℃，而在特定及军事的应用上则为65~80℃。Ta的值在提供外界空气时为35~45℃，而在密闭空间或是接近其它热源时则可定为50~60℃。
Rcs为接口材料之热阻，与接口材料本身特性有关，而散热片设计者则须提供Rsa的参数。
Rcs=(Tc-Ts) / P
Rsa=(Ts-Ta) / P
Rcs 和表面光滑度、接口材料的材料特性以及安装压力以及材料厚度有关，由于一般设计时常会忽略接口材料的特性，因此需特别注意。由热阻网络来看，可以得到热阻的关系为：
Rja=Rjc+Rcs+Rsa=(Tj-Ta) / P
散热片的作用即是如何使用适当的散热片使得芯片的温度Tj 保持在设定值以下。然而散热设计时必须考虑器件的成本，图三则为几种传统散热片及器件的成本和性能估算，由图中可知，性能佳的散热片成本一般较高，如果散热量较小的设计，就可以不必用到高性能高成本的散热器件。散热设计时必须了解散热片的制作成本及性能的搭配，才能使散热片发挥最大效益。
＜图三＞散热片性能及成本之关系
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散热片的材料
传统散热片材料为铝，铝的热传导性可达209W/m-K，加工特性佳，成本低，因此应用非常广。而由于散热片性能要求越来越高，因此对于散热片材料热传导特性的要求也更为殷切，各种高传导性材料的需求也越来越高。铜的热传导率390W/m-K，比起铝的传导增加70%，而缺点是重量三倍于铝，每磅的价格和铝相同，而更难加工。由于受限于高温的成型限制，无法和铝同样挤型成形，而铜的机械加工花更多时间，使加工机具更易损毁。然
而当应用的场合受限于传导特性为重点时，铜通常可作为替代之用，此外利用铜做为散热片的底部可提升热传扩散的效率，降低热阻值。
一些增进散热的材料如高导热的polymer、碳为基材的化合物，金属粉沫烧结，化合的钻石以及石墨等都是目前受瞩目的热传导材料。然而最需要的性质是什么？控制的传导性、高加工性、低重量、低热膨胀系数、低毒性以及更重要的是成本必须低于铝。许多新材料的物理特性高于铝，但价格也多了许多倍。
AlSiC是目前最新的材料，混合各种铝合金以制成特殊的物理性质，控制的热膨胀、高传导性以及显著的强度使得AlSiC 更有吸引力，由于成本的关系，这种材料一般用在底部及作为功率模块底部和芯片直接接触的基板。
＜表二＞各种不同散热片的材料比较
散热片的设计的一般原则
接着我们进一步讨论散热片的详细的设计细节，首先介绍一般的方式，这些点单的方法可以对一些应用简单的散热片设计提供设计标准：
1. 包络体积以散热片的设计而言，这里介绍一个简易的方法，也就是包络体积的观念，所谓包络体积是指散热片所占的体积，如果发热功率大，所需的散热片体积就比较大。散热片的设计可就包络体积做初步的设计，然后再就散热片的细部如鳍片及底部尺寸做详细设计。发热瓦数和包络体基的关系如下式所示。
LogV=1.4xlogW-0.8(Min 1.5cm3)
＜图四＞包络体积示意图
＜图五＞包络体积和输入功率的关系
2. 散热片底部厚度：要使得散热片效率增加，散热片底部厚度有很大的影响，散热片底部必须够厚才能使足够的热能顺利的传到所有的鳍片，使得所有鳍片有最好的利用效率。然而太厚的底部除了浪费材料，也会造成热的累积反而使热传能力降低。良好的底部厚度设计必须由热源部分厚而向边缘部份变薄，如此可使散热片由热源部份吸收足够的热向周围较薄的部份迅速传递。散热瓦数和底部厚度的关系如下式所示：
t=7xlogW-6 (min 2mm)
＜图六＞底部之厚度关系
＜图七＞底部厚度和输入功率的关系
3. 鳍片形状：散热片内部的热藉由对流及辐射散热，而对流部分所占的比例非常高，对流
的产生
（1） 鳍片间格在散热片壁面会因为表面的温度变化而产生自然对流，造成壁面的空气层（边界层）流，空气层的厚度约2mm，鳍片间格需在4mm以上才能确保自然对流顺利。但是却会造成鳍片数目减少而减少散热片面积。
鳍片间格变狭窄-自然对流发生减低，降低散热效率。
拉挤模具鳍片间格变大-鳍片变少，表面积减少。
（2） 鳍片角度鳍片角度约三度。
＜图八＞鳍片形状
＜表三＞鳍片形状参考值
（3） 鳍片厚度当鳍片的形状固定，厚度及高度的平衡变得很重要，特别是鳍片厚度薄高的情况，会造成前端传热的困难，使得散热片即使体积增加也无法增加效率。散热片变短时，增加表面积会增加散热效率，但也会使散热片的体积减少而造成的缺点（热容量减少）因而产生。因此鳍片长度需保持一定才能产生效果。
鳍片变薄-鳍片传热到顶端能力变弱
鳍片变厚-鳍片数目减少（表面积减少）
鳍片增高-鳍片传到顶端能力变弱（体积效率变弱）
鳍片变短-表面积减少
4. 散热片表面处理：散热片表面做耐酸铝（盈成双低菜籽油Alumite）或阳极处理可以增加辐射性能而增加散热片的散热效能，一般而言，和颜是白或黑关系不大。表面突起的处理可增加散
热面积，但是在自然对流的场合，反而可能造成空气层的阻碍，降低效率。
上述之设计方式仅供散热片设计之参考，实际散热片设计时还需考虑与器件以及环境的配合，尤其是高效能散热片的设计需配合实验量测验证以及CFD的分析模拟。
强制对流散热片设计
随着散热的需求日益增加，散热片的效率需要进一步提升，基本上可透过两个方式来改善，第一个方法是增加热传系数h，第二个方法则是增加散热面积，可由牛顿冷却定律说明。
q=hA(Theat sink-Tair)
热传系数可以透过几个方法增加：
(1) 增加空气流速这个是很直接的方法，可以配合风速高的风扇来达成目的，但是须注意当鳍片变密或是形状形成阻碍时，会造成流阻，形成背压或回流，产生噪音及灰尘。
(2) 平板型鳍片做横切将平板鳍片切成多个短的部分，这样虽然会减少散热片面，但是却增加了热传导系数，同时也会增加压。当风向为不定方向时，此种设计较为适当。
(3) 针状鳍片设计针状鳍片散热片具有较轻及体积较小的优点，同时也有较高的体积效率，更重要的是具有等方向性，因此适合强制对流散热片，如图九所示。鳍片的外型有可分为矩形、圆形以及椭圆形，矩形散热片是由铝挤型横切而成，圆形则可由锻造或铸造成型，椭圆形或液滴形的散热片热传系数较高，但成型比较不易。
(4) 冲击流冷却利用气流由鳍片顶端向底部冲击，这种冷却的方式可以增加热传导性，但是须注意风的流向配合整体设计。
＜图九＞针状鳍片散热片（Alpha Inc.）
＜图十＞辐射状鳍片散热片(JMC Inc.)
对于常见的风扇置于散热片上方的下吹设计，由于须配合风扇特性，因此需做更精确的设计。轴流风扇由于有旋转效应，同时轴的位置风不易吹到，因此许多散热片设计成辐射状，如图十所示。也有些散热片的顶端设计成长短不一或是弯曲的形状用以导风。另外种方式是采用侧吹的方式，一般而言，侧吹方式的散热片由于气流可吹过鳍片，而且流阻较少，因此对于高且密的鳍片而言，配合顶端加盖设计以防止气流旁通（bypass），侧吹式比下吹式可有更好的效果。但是由于占用了侧面空间，因此减少了散热片鳍片数目。特殊型式的风扇设计时最好配合CFD 模拟，以确认散热片形状所造成的效应，如图十一所示，同时应配合实验验证。另一方面，强制对流散热片的设计还须注意系统风向及机构配合，利用系统风散热、注意其它零件造成的流阻以及利用外壳等部份做进一步散热，以节省空间。
＜图十一＞散热片热传分析(a) model (b) 鳍片温度分布(c)散热片温度分布
结论
目前散热片的设计已渐渐趋向极限，空气冷却的方式将无法满足需求，未来的散热片设计将结合其它散热器件及方式如热管、平板式热管、回路型热管、水冷等，使得散热的设计更为弹性及多样化，不论如何，散热片仍然是最有效益的散热方式，善用散热片设计于发热器件可改善系统发热状况。高效能散热片的设计可配合CFD 分析软件做完整分析，以了
解气流及热传状况，不必迷信复杂形状的散热片，简单铝挤型散热片做横切等加工就可能有不错的效果。不论设计制造或是应用散热片的工程师都应了解散热片的设计及特性，才能解决电子产品的热管理问题。
参考文献
1. S. Lee, “How to select a heat sink “, electronics cooling, 1995.
2. C.A. Soule, “Future trends in heat sink design”, electronics cooling, 2001.
3. M. Iyengar & A.Bar-Cohen, “Design for Manufacturability of SISEparallel plate
Forced convection heat sinks”, Inter Society Conference on Thermal Phenomena,
2000.
4. H. W. Markstein,“Optiumizing heat sink performance ”, EP & P, 1995.
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