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1、系统散热讲义第1页，共33页，编辑于2022年，星期一電子系統的散熱問題電腦中的主要熱源：中央處理器(CPU)南北橋晶片(Chip Set)圖形處理器(GPU)記憶體(Memory Set)硬盤(HD)電源(Power Supply)其他散熱的處理原則：按照能量不滅定律，熱不會消失，僅是轉移至它處。第2页，共33页，编辑于2022年，星期一Cooler簡易示意圖扣具風扇上蓋散熱片支架背板第3页，共33页，编辑于2022年，星期一風扇運算的基本原理DC風扇運轉原理：風扇運轉原理：根據安培右手定則，導體通過電流，周圍會產生磁場，若將此導體置於另一固定磁場中，則將產生吸力或斥力，造成物體移動。在直流
2、風扇的扇葉內部，附著一事先充有磁性之橡膠磁鐵。環繞著矽鋼片，軸心部份纏繞兩組線圈，並使用霍爾感應元件作為同步偵測裝置，控制一組電路，該電路使纏繞軸心的兩組線圈輪流工作。矽鋼片產生不同磁極，此磁極與橡膠磁鐵產生吸斥力。當吸斥力大於虱扇的靜摩擦力時，扇葉自然轉動。由於霍爾感應元件提供同步信號，扇葉因此得以持續運轉，至於其運轉方向，可依佛萊明右手定則決定。第4页，共33页，编辑于2022年，星期一風扇轉速測量原理檢測RPM完全基於風扇底三導（白色線）F.G(Frequency Generation output)輸出測量，跟據輸出的高低電平及頻率幅度，BIOS取觸發信號（相當於一個計數器），然後再根
3、據風扇充磁極數決定其周期頻率和RPM。第5页，共33页，编辑于2022年，星期一風扇的啟動電壓啟動電壓意即風扇最低運轉工作 電壓，是比較風扇優劣的一項特性，通常淨摩擦系數較低的風扇，以及配台較低工作電壓的霍爾IC才能使風扇用較低的電壓來啟動。影響的因素：繞線設計是否恰當矽鋼片磁滯損失大小 霍爾lC的最低工作電壓 電晶體放大倍數高低 橡膠磁鐵的充磁強度.扇葉的重量.軸承的摩擦系數高低 電晶體飽和電壓高低 是否有反向保護二極體。第6页，共33页，编辑于2022年，星期一風扇的死角所謂風扇死角是指風扇置於某些角度情況下不能依規定電壓啟動。測試方法就是將風扇各極依序調整置於霍爾IC之前，然後將電壓緩慢
4、調高直到啟動，若各極在小於規定電壓值之前啟動，代 表合格，若有高低差異，啟動電壓超出規定者，稱為死角。影響的因素：橡膠磁鐵各極充磁不均 霍爾IC感應靈敏度太差；橡膠磁鐵充磁磁場太弱。第7页，共33页，编辑于2022年，星期一風扇的充磁極數極數多代表磁場變化速度快，磁場變化速度快代表頻率增加，頻率增加一方面提高矽鋼片能量轉換效率，使相同電流值能作較多的功，得到較高轉速，所以，轉速與極數係成正比關係。第8页，共33页，编辑于2022年，星期一風扇性能Q正比(轉速)P正比(轉速2)Q正比(風扇尺寸3)P正比(風扇尺寸2)風扇的改變：轉速及尺寸增加第9页，共33页，编辑于2022年，星期一風扇的類型*
5、軸流扇：高流量*離心扇：高靜壓第10页，共33页，编辑于2022年，星期一鰭片作用原理高效能的散熱熱傳係數散熱面積溫度差*熱傳係數：材料性質，幾何形狀，流場狀況*散熱面積：製造加工方式，幾何形狀*溫度差：幾何形狀，流場狀況第11页，共33页，编辑于2022年，星期一鰭片散熱途徑*熱傳導：固體部分，鰭片的材質(鋁=銅=?)結合方式(Epoxy=Solder=Brazing=?)*熱對流：風扇的效能(60=70=80=?)*熱輻射：溫度差的自發性反應(X)*沸騰，蒸發：熱管,Vapor Chamber第12页，共33页，编辑于2022年，星期一CPU Cooler 熱阻之定義TaTcR total
6、=R CPU+R Contact+R CoolerR total=總熱阻=(Tc-Ta)QR CPU=CPU熱阻R Contact=CPU至鰭片之接觸熱阻R Cooler=Cooler熱阻第13页，共33页，编辑于2022年，星期一熱阻計算公式Tc Ta=QKcu AcuXcuQQQ1/R greaseK Al A AlX AlH convection A Al+CPU散熱膏散熱片R tot=Tc TaQ=R cpu+R grease+R cooler第14页，共33页，编辑于2022年，星期一鰭片設計重點*總體積尺寸*材料*底板厚度*鰭片形狀*鰭片厚度*鰭片間距*鰭片長度*鰭片底板之結合材料
7、第15页，共33页，编辑于2022年，星期一鰭片效能因子*熱對流強度或鰭片面積*鰭片所具有的熱傳導面積*風扇壓力損失*底板的熱擴散性第16页，共33页，编辑于2022年，星期一鰭片其他設計考量*製造生產的困難度鰭片的細長比Fin-to-Fin間距鰭片/底板之結合材料*重量*價格第17页，共33页，编辑于2022年，星期一傳統散熱片製程說明鋁擠型：主要材料為鋁6063，傳導率約在160180 W/mK，易加工，限制在於散熱鰭片之細長比有其限制(15)，無法在有限空間下大量增加散熱面積。壓鑄型：可作成複雜形狀的導流設計，能做出薄且密的鰭片，以增加散熱面積。常用的壓鑄合金為ADC12，但熱傳導性較差
8、(96W/mK)。第18页，共33页，编辑于2022年，星期一散熱片的新製程接合型(Bonding Fins)：利用鋁擠型擠出有溝槽的散熱片底板，同時將鋁板片或銅板片作成一片片的鰭片，接著將每片鰭片插入散熱片底板的溝槽上，再利用導熱黏膠或銲錫將兩者接合起來。優點細長比可達60倍以上，鰭片可選擇不同材料。缺點銲接效果難控制，造成界面阻抗增加，且接合強度亦影響產品之可靠性。第19页，共33页，编辑于2022年，星期一散熱片的新製程折彎型(Folding Fins)：將薄板片折呈鰭片排列形狀，再用硬焊或錫焊方式與擠形過或機械加工過底板相結合成一散熱片。優點可作高細長比的散熱片，鰭片部分是一體折彎成型
9、，有利於熱傳導之連續性，具有不同散熱材料組合的彈性。缺點依然有額外的界面阻抗及不易建構緊密排列之細間散熱片。第20页，共33页，编辑于2022年，星期一散熱片的新製程 鍛造型(Forging Fins)：係經精密的風到設計，於模具上開適當的鰭片排列，將鋁塊加熱至降伏點後，於模穴內利用高壓使鋁材充滿模穴而形成柱狀鰭片。優點鰭片高度可達50mm以上，厚度可薄至1mm以下。缺點散熱片容易有鰭片高度不均之現象，模具費用高。第21页，共33页，编辑于2022年，星期一散熱片的新製程 刨削型(Skiving Fins)：先以擠型方式做出長條狀帶有凹槽的初胚，接著利用一特殊刀具將初胚創初一層層彎曲的鰭片出來
10、。優點鰭片厚度可薄至0.5mm以下，同時鰭片與底板是一體成行無界面阻抗之問題，另外具有高鰭片密度，高散熱片面積，高熱導性。缺點量產不易，刀具易磨損，製造材料多。第22页，共33页，编辑于2022年，星期一散熱片的新製程 機械加工型(Machining Fins)：直接由金屬塊將材料加工成具有鰭片間隙的散熱片型式。通常是在CNC機台上以GangSaw刀具來加工製造散熱片，此刀具具有多重精密排列的鋸輪。優點適用於高性能散熱片的製造，如銅散熱片加工，且容易自動化。缺點加工過程中易造成鰭片損害和變形問題，同時產生大量廢料與材料耗損，較不具生產性。第23页，共33页，编辑于2022年，星期一散熱片的新製
11、程 金屬粉末射出成型(MIM Fins)：應用在散熱片製造上，主要著眼於有些高熔點，高熱傳導的材料，如Cu，Cu-W，不易用上述幾種製程予以一體成型。直接作成散熱片型式之初胚，接著再利用高溫燒結成具有強度與高密度的成品。優點可將高熱倒的銅粉末直接一體成型出高效能的散熱片，適合用在高發熱密度並受限於空間限制的電子元件上，熱阻抗值比鋁材低很多。缺點原料成本較昂貴，產品良率較其他製程低。第24页，共33页，编辑于2022年，星期一近期開發重點 水冷式散熱系統組件：微型抽水馬達儲水槽管線水冷器風扇第25页，共33页，编辑于2022年，星期一近期開發重點 導熱管及均熱板(Heat Pipe&Chambe
12、r)：第26页，共33页，编辑于2022年，星期一未來產品微冷卻器微熱交換器微冷凍機微流道熱沉微熱管微型空調系統第27页，共33页，编辑于2022年，星期一系統散熱問題機箱散熱機制：電源系統風扇開孔大小及位置機箱外殼材料Cooler的主要目的是降低CPU的溫度，它僅是提供一溫度差(Tc-Ta)，當系統環境溫度過高時，CPU的溫度也會相對提高，此時改善散熱器的效能僅是延緩CPU溫度的快速升溫趨勢，對整體機箱的穩定性並無幫助。考量系統散熱的工作重點在於如何有效置換機箱內部與外界的空氣交換。第28页，共33页，编辑于2022年，星期一電源及系統風扇組合不當開孔設計：從系統風扇開孔處引進的風很容易直接
13、被電源風扇抽走，此外電源排出的熱風容易經過此開孔處再次被引入。實驗經驗：系統風扇開孔處的入風溫度約高於恆溫恆濕機兩度。將此開孔封閉一般Tc溫度約降一至二度。第29页，共33页，编辑于2022年，星期一電源及系統風扇組合搶風問題：按現有機箱結構造成cooler風扇和電源風扇及系統風扇同時搶風現象。導致現象：部分低溫空氣被系統風扇及電源風扇抽走氣流混亂干擾造成系統噪音提昇第30页，共33页，编辑于2022年，星期一電源及系統風扇組合Cooler帶走的熱量需要經由電源帶走，此時由於電源風扇的效能有限，造成溫度在機箱內部積存，導致機箱溫度的提昇。第31页，共33页，编辑于2022年，星期一開孔大小及位
14、置側面開孔機箱開孔及材質選定對系統整體散熱效益為輔助功能，開孔位置及大小可避免不必要的溫度集中現象，開孔率不足將無法有效引入足夠新鮮空氣開孔率過大有EMI的問題，及無法有效導引風向的流動。第32页，共33页，编辑于2022年，星期一系統散熱的方向CPU發熱量將繼續提昇，加上顯卡晶片的熱量增加，系統先期規劃上需考量開孔分布及大小以及空氣置換量的需求確立電源及系統風扇的工作風量。設計考量在於直接引入外界空氣進行熱源處的冷卻，冷卻後所產生的熱量直接透過風槽導出機箱外，避免熱量流入機箱中，導致機箱溫度的升高，造成整體性能的不穩定。引入熱管及水冷系統用以快速將熱量轉移增加機箱外殼的散熱效能。第33页，共33页，编辑于2022年，星期一