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散熱片技術基本教戰

房東:貓子
發表時間:2007-04-28
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散熱片技術基本教戰


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。

同樣的,近年來積極運用的熱導管(Heat Pipe)技術,也依然需要與散熱片搭配,熱導管一端接觸處理器晶片的封裝表面,另一端則接觸散熱片,透過散熱片將熱消散。除此之外,在其他類型的散熱技術、散熱設計上,也多會運用與搭配散熱片。因此,本文以下將針對「散熱片」進行更多的技術討論。

■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。

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。

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。

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。

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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