重装CPU、GPU时代下的机内散热设计(2)散热片技术基本教战

　　

在电子设计的热管理当中，散热片（Heat Sink）绝对是最基础、基本的一项运用，在一般自然对流无法及时散热的情况下，且尚无必要使用电动风扇的强制对流散热前，绝大多数是使用散热片来因应。

　即便到了要使用电动风扇（Fan）进行散热的程度，散热片也不会因此而废弃，事实上现有的作法多是让散热片与电动风扇相辅搭配，以最常见的机内处理器为例子，处理器是先透过散热膏（或称：热导膏）与散热片相连，之后才在散热片上端加装电动风扇，以此来加速散热，而非有了电动风扇后，就完全不再使用散热片。

同样的，近年来积极运用的热导管（Heat Pipe）技术，也依然需要与散热片搭配，热导管一端接触处理器晶片的封装表面，另一端则接触散热片，透过散热片将热消散。除此之外，在其他类型的散热技术、散热设计上，也多会运用与搭配散热片。因此，本文以下将针对「散热片」进行更多的技术讨论。

　

▲即便是已采行电动风扇，甚至是热导管，也多半仍需散热片的搭配辅助，图为笔记型电脑等机内低矮空间限制时的散热设计模型，除了风扇外，在气流的进出口位置也有设置散热片。


　■散热片的制程类型

　以何种方式来制造、形成散热片，此对于散热片的散热性能、成本有着极大的直接关连，以下我们逐一介绍各种散热片的制法，以及各种制法的特性差异。

　1.压印法（Stamping）：将散热金属透过机械压印方式压印成想要的散热片形体，此种作法的程序简单、成本低廉，但散热效果有限，今日许多存储器模组所用的散热片多采行此种方式。

　2.挤制法（Extrusion）：将散热金属以高压方式推挤，推挤后金属会依据模孔的形体而变形，如此即形成所要的散热片形体。推挤方式是目前最常用的散热片制法，一般而言散热效果较压印法理想。要注意的是，铜金属因本身特性不易加工，因此不能使用挤制法，挤制法多用在较好塑形加工的铝质散热金属上，因此有时也称为铝挤法、铝挤式散热片。

　3.铸造法（Casting）：将散热金属先用高温加以融化，融成液状后再注入到铸模中，再经过冷却即可形成所要的散热片形体。可想而知的，铸造法必须先将金属热融，光能源与治具开销就让铸造法成本居高不下，不过此法的塑形及散热效果也更佳。要提醒的是，在金属冷却成形的过程中，倘若金属内有气体、气泡存在，使金属均质性变差，连带也会影响散热片的热导传性。

　

▲威立达公司（ATake）的PipeTower散热器，该散热器内已设置一个垂直放置的热导管，但导管外部仍有设置散热片，此外散热器的侧面也可装设电动风扇，以侧吹方式加速散热。



　4.接黏法（Bonding）：有别于前述的一体成形法，接黏法是分开制出散热片的「底部」与散热片的「鳍部」，之后再以接黏方式将「底」与「鳍」相连成形。接黏法的好处是可以制出比前述作法更高的散热鳍（Fin），鳍愈高意味着有更大的散热表面积，能增进散热效果。

　不过，接黏法也考验接黏所用的黏剂，必须使用热导性高的黏剂才行，否则导热、散热效果会打折扣。就一般来说，接黏法通常使用导热胶或焊锡作为黏剂，黏剂一方面要讲究热传导性，另一方面也要够低廉，近年来的新改良作法是用「铝充填胶」做为黏剂，此有助于降低制造成本。

　5.折叠法（Folding）：折叠法与接黏法相同，皆非一体成形的作法，折叠法的鳍部是以金属片折叠而成，透过折叠方式来增加散热表面积，然后再将「鳍」以焊锡或铜焊接的方式与「底」相连。由于作法与接黏法相近，因此折叠法的弱处也与接黏法类似：两段式成形（分底部与鳍部，再加以合併），增加制造程序与成本，以及接合处的热传导性较受考验。然优点也相近：较佳的散热率。

　6.改良式铸造法（Modified die-casting）：前述的铸造法为一体成形法，而此处的铸造法则与接黏法、折叠法相同，属于两段式成形法，鳍部与底部分开制造，但底部在铸模内即将冷却成形时，将鳍部与底部浸触，如此即可自然地冷却接黏，此种接法的优点即在于热传导性高，因为是金属融合，没有用上其他的接黏用介材，同时分开制造时可尽量增加鳍的高度，使散热表面积增加，进而增加散热效率。至于缺点则是成本比一体成形的铸造法还要再高。

　

▲目前DIMM存储器模组所用的散热片多半以压印方式制成，图为威立达公司（ATake）公司的Ram Sink I，适用于SDR、DDR、以及DDR2等类型的存储器模组中。



　7.锻造法（Forging）：锻造属于「一体成形」法，此法运用极高的压力将散热金属块敲入压模内，进而形成所需的散热片形体。若更细部了解，还可以区分成「热锻」与「冷锻」，技术上热锻较为容易，而冷锻则是较精密，且冷锻而成的散热鳍片较具强度。

　锻造法与铸造法相同，必须在制造过程中多加留心，锻造由于是用压力敲击方式来使鳍片成形，且期望锻造出极高、极长的鳍片，则会使压模部份更为内深，更内深的结果有可能因压敲的不均，而导致成形后的鳍片高低不一。不过整体而言锻造法可制出较长较高的散热鳍片，且与散热底部一体成形，且具有较高强度、较少的表面粗糙度等优点。

　8.切削法（Skiving）：切削法是将散热金属块以刀具进行切削，切削出弧状的鳍片，并保留底部不进行切削，如此便形成一个不用接黏，一体且单一材质的散热片，且弧形鳍片能使散热性更佳，原因是弧形鳍片能较一般鳍片更为薄化。

　要注意的是，前面已提过：铜质散热金属不易加工，因此除了不适合用推挤方式成形制造外，切削法也一样不适合，目前切削法多用于铝质散热金属，铜质仍处在试验阶段。

　9.机械加工法（Machining）：机械加工法是运用机械加工的方式，将散热金属块上的部份料材去除，以此来形成所要的散热片形体。机械加工法最常见的作法是使用电脑数值控制（Computer Numerical Control；CNC）的机械加工机，运用加工机上的切割锯，以精密的控制操作，将散热金属块切割成几何形体，使散热片成形。

　

▲用电脑进行推演，推演太空梭重返大气层时的高速气流状态。同样的，散热片设计时也需要进行相同的的热流分析。

　就目前来说机械加工法有优点也有缺点，优点是由电脑控制，使生产制造流程能够高度自动化，进而降低产制成本，而缺点则是在加工过程中，鳍片部份容易产生破坏或扭曲，必须进行二次加工来加以调修。

　虽然优缺并存，然透过生产与控制的持续经验累积及实务精进，未来调修成本会渐减，自动化效益会渐增，现阶段业界对机械加工法的未来性都相当看好，认为仍有很大的发挥空间。

　■散热片的材料

　材料指的正是散热金属的本体材质，最典型的莫过于铜（Cu）或铝（Al），姑且不论金属的价格，两种金属在散热运用上有着不同的取向特性。

　就热传导性而言，铜的表现胜于铝，铜为390W/m-K，铝则为209W/m-K，很明显铜比铝多出86.6％的热传导力，按理而言铜比铝更适合用于散热片。不过，热传导性并非是散热金属的唯一考量选择，在其他方面的表现上铜就不如铝。

　如前所述，铜的加工性不易，如此不仅使制程方式的选择受限，在铜、铝皆可用的制程下，铜对加工器具的损耗也较大，例如用机械加工法时不仅加工器具会比用铝来的更快耗损，且加工时间也较长。

　此外，铜的重量是铝的三倍，而今日多数的电子设计都讲究短小轻薄，铜的重量也成为选用时的一大顾虑。

　话虽如此，但并不表示铜全然无法使用，事实上应当採行重点式使用或搭配性使用，例如散热片的底部最接近发热处，需要较好的热传导性，此部份可采用铜，使热能更快扩散到各鳍片上，而底部之外的鳍片部份就可採用较轻、塑性与加工较易的铝材来实现。

　

▲Harvard Thermal, Inc.（简称HTI，已由ANSYS公司所收併）的TASPCB设计软件，TASPCB可用来辅助设计散热片，图中即是散热片函式库（Library）的编辑画面。


　除了铜、铝之外，锌合金（Zn Alloy）、镁（Mg）等也是常见的散热片材质，同样的，锌合金、镁也不见得能适用所有的制程方式，例如锌合金可用改良式铸造法制造，但却不适合用推挤法制造，或如镁适合用接黏法制造，但却不适合用折叠法制造。

　更进一步的，部份的聚合物（Polymer）、以碳（C）为基础料材的化合物、金属粉末烧结、化合性的钻石、石墨等的材质，也都有不错的热传导性，然而同样的：热传导性并非是选材的唯一考量，除了前述的价格、加工性、重量外，热膨胀系数、热传导的控制性、是否有毒性等也都必须列入考虑，虽然新提出的热传导材料都有更好的热导表现，但先期价格多半都贵过传统的铝金属，这使的新料材不易普及推行。

　■各环节的分析与决定

　瞭解散热片的制法与料材后，更后续的工作即是散热片整体的体积决定、鳍部的形状决定、底部的厚度决定、以及相关散热搭配的决定（如：电动风扇、热导管等）。

　最后若更严谨高标要求，还需要进行计算流体力学（Computational Fluid Dynamics；CFD）的热流分析，此方面可用CHAM的Phoenics、ANSYS的CFX、CD-adapco的STAR-CD等推演（Simulate）软件来加速观察与设计。

　

▲FLUENT公司（已由ANSYS公司所收併）针对教育市场而推行的「计算流体力学」分析工具软件：FlowLab。