功耗提升讓散熱問題難解? 你需要創新的方案
作者 : Bill Schweber
隨著業界越來越重視各類系統應用的運算速度，產品功耗也與日俱增，使得本就不易解決的散熱問題，變得更加難解。為此，業界提供創新機械結構設計，以更高效的方式排解系統熱源...
工程師一般會把熱管理跟散熱分為兩件事來看。首先，從比較宏觀的面向來看，單一元件並不至於導致所謂的過熱，不過多個元件製造的熱能，就可能使電路板或機櫃超過所能耐受的熱度範圍。其次，以微觀的角度，諸如功率元件、高效能處理器、電流感測電阻等單一或多個主動或被動元件，通常為避免進入慢時序模式、燒毀或因溫度產生特性過度飄移等原因需要散熱。上述微觀的狀況，想當然爾，一般會是衍生出宏觀角度所看見問題的主要因素。
最基本且易懂的處理過熱的解決方案，是結合輻射冷卻、熱傳導及熱對流等方式，如下圖1所示。不過其實並沒有那麼容易，你能建構熱的解決方案，但通常要打造一個能傳導熱源到一個足以稱為「遠離」、集中存放多餘熱量神祕地的機器結構設計，不僅只是加上一個風扇或附加一些散熱片(heat sink)就能做到。這也是得對機械工程師及產品工程師至上更高的敬意，因為他們讓所設定的熱度目標能具體實現。
圖1：圖中的三種熱傳導方式容易理解，並可做為冷卻方案分析跟模擬的第一步。 (來源：Sciencenotes.org)
美國運算引擎供應商General Micro Systems, Inc. (下簡稱GMS)運用一個已經通過場域驗證超過十年、被稱為「混合(Hybrid)」的先進散熱技術，打造其專利散熱技術RuggedCool℠。有別於傳統用氣冷或液冷較著重於個別元件或熱點的散熱，他們的方式是透過一個位於中央做為整個系統散熱板的「散熱器」，將系統熱量集中到基板的冷卻板上，如下圖2所示。
圖2：RuggedCool的設計中，中央核心散熱器功能宛如整個系統的冷卻板。 (來源：General Micro Systems, Inc)
這樣的設計，讓每個元件、電路板乃至次系統，運用冷卻板的機械結構進行冷卻，並藉由個別到整個系統的散熱片將熱源排出。聽起來是個簡單的概念，實際執行卻是充滿挑戰。GMS是使用帶波紋、熱阻極低的合金金屬塊作為處理器裸片(Die)的散熱單元。一旦熱量散佈到更大範圍，在密封室中的液態銀化合物會被用於將熱源從散熱器傳導至系統外殼。系統外殼是由銅、鋁夾一層銀的「三明治」結構。
如下圖3，相較於傳統散熱方式從中央處理器核心(CPU Core)到冷卻板的溫差超過25度，透過這樣的散熱方式，溫差可少於10度。這種液冷的形式，沒有令人頭痛的液體流動相關問題，運用液態銀這類的物質的技術，成本高昂是顯而易見，但很適合苦尋不著其他可行解決方案的應用。
圖3：此解決方案使CPU到冷卻板間的溫差小於10度。 (來源：General Micro Systems, Inc.)
這種方法跟單純為添加散熱板做為傳導散熱系統的方式形成對比，因為CPU以外會產生熱源的元件，會由CPU的熱源傳導路徑散熱，單純添加散熱板可能導致散熱不足。這跟把熱源帶離CPU的目的，也明顯是背道而馳。
藉由將熱源導引到中央集氣室，若有風冷，效率也可以達到最佳化。這樣的設計也允許封閉式系統只有中央集氣室對外開放，如此一來，能更容易管理灰塵和濕氣進入系統，同時讓電磁干擾(EMI)抑制所帶來的挑戰得以獲得解套。
對許多零件宛如沉默且長期「殺手」的震動跟撞擊，這個技術也帶來益處。CPU裸片並沒有直接和系統外殼接觸，反之是透過扮演撞擊吸收器角色的液態銀室連接。這樣的設計可以防止撞擊力從外殼轉移到以覆晶球柵陣列(Flip Chip Ball Grid Array, FCBGA)技術封裝的晶片，進而隔離CPU避免因持續振動產生微小裂痕(會導致CPU故障)。
前述機械設計，毫無疑問相對複雜且成本高昂，不過演變至此，也是工程師們跟他們的客戶所造成的。畢竟，如今產品的功耗已從100瓦提升到超過1千瓦(kW)，19吋伺服器機架1U的伺服器功耗已經來到1.5kW甚至更高，因此創新的方法跟想法確實是需要的。
不過並不是所有應用都需要如此複雜且精密的技術，某些情況下，將熱源移轉到做為極佳散熱路徑的插件架導軌跟把手，也會有很不錯的助益。您是否曾遇過一種散熱的情境，在實際執行策略面所遇到的挑戰，比建議熱源模型還來得大? 解決方案只需審慎考量到應用中現有的元件，還是客製化元件及特殊元件也需一併考慮進去?
(參考原文：Call on mechanical engineers to solve your tough thermal problems, By Bill Schweber)
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