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作者:余家杰(2002-06-10),推薦:徐業良(2002-06-10)

電子元件散熱片研究規劃

1.         電子元件散熱片

隨著電子科技的發展及晶圓製程的提升,電子元件的效能相對提高,而單位體積所發出的熱量亦越來越多,為了維持其正常的工作狀態,熱交換的動作也就相當的重要,加裝於熱源的上方的散熱片即是為了幫助積體電路消散運作時所產生的熱,以提高工作效能。此篇研究報告即在對電子元件散熱片的熱傳現象作一整理,並說明可能之CAE應用。

一般來說電子元件散熱片主要有三種鰭片形狀(如圖1),分別為柱狀、平板狀以及輻射狀[Kraus, A.D., Bar-Cohen, A., 1995],其中平板狀散熱片,為一片片排列在基板上的散熱鰭片,也是目前元富公司所OEM的種類。圖2則為平版狀散熱片搭配散熱風扇、散熱基版(heat sink base),可組裝於電腦CPU上之整體散熱模組。

1. 散熱片的基本形狀(依次為柱狀、平板狀、輻射狀)

2. 整體散熱模組

在散熱片的製造上,鑄造與鍛造兩種方法也提供了散熱片不同的效能,其中鍛造的製程提供了較高的材料熱傳導係數,而鑄造則有較多元的鰭片設計可以提供較優良的對流環境。

如圖2中的電子元件散熱模組的主要規格項目包括應用對象、散熱基板材料、鰭片材料、整體尺寸、風扇種類、風扇尺寸、額定電壓∕電流、額定轉速、最大氣流量、噪音水準、MTBF(Mean Time Between Failures、熱阻抗、整體重量。其中在給定風扇條件下之「熱阻抗(thermal resistance)」應該是散熱片設計上最重要的性能指標。

2.         電子元件散熱片的熱傳現象

散熱片的熱傳方式有以下兩種,一種為散熱鰭片本身因為溫度差所產生的熱傳導現象,另一種則為散熱鰭片經由熱對流與周遭環境的熱交換現象。

2.1 熱傳導(conduction)

影響熱傳導最主要的因素就是材料的「熱傳導係數(thermal conductivity)」,不同的材料(銅或鋁)、不同的製造方式(鍛造或鑄造),皆會改變材料的熱傳導係數,物質的熱傳導係數越高代表導熱越容易。如圖2所示,熱傳遞由高溫T1流到低溫T2,其熱傳量計算如式(1)

                                                                      (1)

其中負號為滿足熱力學第二定律,熱傳遞由高溫至低溫,k為熱傳導係數,a為截面積,為沿熱流動方向的溫度變化量。傳導「熱阻抗(thermal resistance)Rcd定義如下:

                                                                             (2)

兩端溫差固定時,熱傳量q越小,表示其間熱阻抗越大。而如圖2中截面性質不變時,

                                                               (3)

2. 熱傳導效應

2.2  熱對流(convection)

如圖3所示,當物體與不同溫度之流動流體接觸,假設物體表面溫度Ts,流體溫度Tft,由「牛頓冷卻定律(Newton’s law of cooling)」得知通過物體表面之熱傳率為:

                                                               (4)

其中h為「熱對流係數(heat-transfer coefficient)」,S為流體與物體接觸的面積,若物體的溫度大於表面的溫度,可得熱傳率為正值,熱由表面向外傳遞。熱對流之熱阻抗Rcv

                                                               (5)

3. 熱對流效應

熱對流之熱傳遞效應有兩種,一種是「自然對流(free convection)」,為表面流體因溫度升高浮力增加所造成,另一種為「強制對流(forced convection)),為加裝風扇或其他驅動源所造成的對流方式。

在熱對流方面還有一項需要考慮的阻抗值,即為流體流過物體所產生的流阻值,如圖4為一質量流率為、流入溫度為Tin的流體流進一圓管,其流進流出的熱流量為:

                                                                                         (6)

其中cp為流體的比容值。流阻值Rft為:

                                                                                                      (7)

4. 流阻效應

2.3 散熱片的熱傳現象

5.為將散熱片安裝於發熱源上的示意圖,圖中晶片在經過封裝後,將熱傳導至散熱片上(假設散熱片與封裝處為無間隙的結合),再與環境作熱交換的動作,達到散熱的目的。

5. 散熱片安裝於發熱源上的示意圖[Kraus, A.D., Bar-Cohen, A., 1995]

而在進行此一熱傳現象時所產生的熱阻抗為

                                                                                       (8)

其中Rjc為封裝部分的熱阻值,此熱阻值屬於晶片的電子構裝在此不加以討論。在設計散熱片所需考慮的熱阻抗為RexRftRex為散熱片的熱阻值,Rft則為流體流過散熱片所受的阻抗,其中Rex包含了RcdRcv,因此散熱片熱阻抗為

                                                      (9)

其中為質量流率,為流體的比容值,而為散熱鰭片的效率:

                                      (10)

由式(9)可以看出,散熱片上的面積熱傳現象是決定散熱效果的重要因素。

4. 現有散熱片效能測試實驗設備

目前元智大學電子構裝實驗室提供了可對散熱片進行效能測試的4種實驗設備如下:

l          熱傳導係數量測設備

熱傳導係數量測實驗機台如圖6所示,其量測的對象主要為非金屬材料之熱傳導係數(如介於散熱片與CPU間的連接物質),將材料置於圖6紅圓圈位置,啟動儀器即可得知非金屬材料之熱傳導係數。

6. 熱傳導係數量測設備

l          熱阻量測設備

熱阻量測設備可以得知散熱片受一熱源供熱下的系統熱阻量測,圖7為設備圖,圖中置放好散熱片後,提供一熱源,可以模擬散熱片放置於Chip上的條件,經由設備上熱敏電阻的量測可得散熱片基底溫度,最後量測散熱片上方24.5mm處溫度即可得知系統熱阻。

7. 熱阻量測設備

l          風洞實驗機

小型風洞實驗機(如圖8)配合熱阻量測設備,可進行散熱片的流場實驗與量測風經過散熱片的壓力變化,得知風通過散熱片窒礙程度,測試外型設計是否得當。

8. 風洞實驗機

5. CAE應用於散熱片設計

CAE的應用上,我們選用ANSYS來做為電腦輔助分析的應用軟體,因ANSYS的求解處理器擁有計算熱傳導、熱對流、熱輻射、甚至因為不同相變化所發生的熱傳現象在此都可以被計算,且相同於結構分析,ANSYS於熱傳分析同樣有穩態(steady state analysis)與暫態(transient analysis)兩種分析模式,穩態分析主要在考慮系統具有穩定之熱負荷,於系統最終之熱平衡狀態,也就是達到穩定狀態之溫度場或熱應力場分析,而不考慮熱負荷隨時間變化之過程。而暫態分析則為考慮隨時間變化之熱負荷下的溫度場或熱應力場的暫態響應。

經由與元富工程師的討論,元富公司所關注的問題在於散熱片系統的熱阻抗值,如圖9散熱片基底處受一發熱源供熱,此時散熱片基底因熱傳導現象而會有溫度分佈,取此狀態下散熱片最高溫(散熱片基底處)與偵測點處的溫度差,比上發熱源所供應的熱量,如此可得系統的熱阻抗值。

                                                                                            (11)

9. 系統熱阻定義

根據此定義我們試著以一簡單的模型於ANSYS下進行系統熱阻的分析。首先我們假設一單一鰭片其尺寸如圖10,於底部受到10W的熱源,僅考慮鰭片上方熱對流現象,材料為鋁其熱傳導係數,熱對流係數,室溫為,於此環境下其溫度分佈如圖11,可得鰭片上方24.5mm(偵測點)處溫度為,其系統熱阻為

       

10. 樣本尺寸

11. 樣本溫度分佈

6. 結論

經由上述資料的整理可知,設計散熱片所要考慮的兩個重要因素為熱傳導係數與對流環境。影響熱傳導係數主要為使用不同的材料或經由不同的製造技術,而產生不一樣的材料性質,另一個考慮因素為對流環境,提供不同的風扇強度,不同的風扇擺設位置,不一樣的鰭片設計等,都將影響對流環境。

藉由CAE的應用可以提供設計者得知隱藏於散熱鰭片的性能指標,如尺寸形狀、鰭片的排列方式、排列間距與外在的環境等,並可以得到定量與定性的參考數值,作為散熱片實際製作的參考指標來回饋修改設計方式,以達到符合或節省成本的散熱片設計。元智大學已有多項散熱片效能測試實驗設備,可實際進行散熱片的性能測試,除可與CAE結果相互映證之外,亦可作為量產前的試驗。

參考資料

Kraus, A.D., and Bar-Cohen, A., Design and analysis of heat sinks, 1995, Wiley-Interscience Publication.

Holman, J.P., Heat transfer, 1997 3rd edition, McGraw-Hill

王柏村,“電腦輔助工程分析之實務與應用”,全華科技圖書股份有限公司出版,台北市,民國90年初版。