SMT貼裝與散熱技術在機構內扮演的角色

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SMT貼裝與散熱技術在機構內扮演的角色
林宗輝╱DIGITIMES

前言：在推動緊緻化機構設計的同時，隨著組裝密度的增加，將會形成局部的高熱密度。如何在SMT、PCB以及主動散熱結構取得平衡，就以Xbox 360的失敗為例，進行本文探討。

由 於高溫對電子元件性能產生有害的影響，例如高溫會危及到半導體的結點、損傷電路的連接界面，增加導體的阻值和形成機械應力的損傷，因此確保發熱電子元件所 產生的熱量能夠及時排出，是系統組裝設計的重點。電子設備的可靠性及其性能，在很大程度上取決於設備是否具有良好的熱設計考慮，以及所採取的散熱措施是否 有效。

以Xbox 360失敗的散熱設計為例

前陣子相當熱門的1個消 息，那就是微軟承認截至目前為止所售出的Xbox 360遊樂器全部都有問題。不過官方對三紅燈的說法，卻把責任完全推到消費者身上。微軟官方指出，消費者採用了品質不佳的突波保護插座，由於電流的變化， 將會導致風扇、DVD雷射讀取頭發生故障，只要是使用突波保護的插座，都會產生3紅的故障狀態，此時就只能送回原廠處理。但是就很基本的一般常識來判斷， 突波保護僅是採用簡單的限流二極管，來限制透過保護器的電流超出一般正常範圍時，自動將電源跳開，突波保護插座對工作電流幾乎不會有影響，而Xbox 360本身的電源配接器才是真正負責進入主機處理電流調節。一般來說，符合規範的電源配接器本身要負責調節電流的穩定，進行簡單的濾波處理之後，才將電源 輸入主機當中。

圖說：Xbox 360的三紅現象，源自於微軟對SMT貼片以及PCB的錯誤熱設計。（微軟）

如果真如微軟所言，突波保護插頭是罪魁禍首的話，那麼微軟的電源配接器可以說是個完全缺陷品。而當問題初步爆發時，其實就有不少玩家懷疑是散熱結構的問題，只是微軟初期一概否認，並且沒有積極進行問題的發現與解決，才會導致問題一發不可收拾。

Xbox 360的問題已經有國外媒體指出，是出在繪圖晶片上。由於繪圖晶片電晶體規模非常龐大，其功耗高，溫度也非常驚人，隨著遊戲的進行，主機內部的溫度會逐漸 上升，GPU和主機板將會被緩慢加熱。由於機器運作當中，GPU與主機板都會處於遇熱膨脹的狀態，雖然主機板和GPU的膨脹係數不同，但由於是同時膨脹， 兩者之間產生的應力尚不明顯，不至於將GPU的接腳由主機板上扯開。

但是當關機時，GPU由於與散熱片接觸，熱量很快就會 被帶走，而主機板確因懸空於主機之中，無任何實體接觸，因此冷卻的速度較慢，GPU的冷縮速度太快，主機板的冷縮度慢，因此產生了極大的應力，導致GPU 將銲點從主機板上扯開來。Xbox 360並不算偷工減料，事實上它的用料算不錯，散熱結構與供電模組其實都沒有問題，只是問題出在微軟為了搶佔市場，忽略了先期開發的徹底測試，以致於讓基 本設計有缺陷的產品流通到市面上。後來微軟所推出的修整版本產品，其實就針對了這個問題進行了解決，除在Xbox 360的GPU上加上了固定用的熱熔膠，期望可以藉此減緩膨脹係數不同所導致的應力，而在相關散熱模組上也有增加或變動，藉此徹底解決三紅的問題。

圖說：新款的Xbox 360主機中，GPU已經被固定住，避免產生應力位移現象。（微軟）

Xbox360所使用元件表面貼裝技術的限制

Xbox 360採用的是目前風行的表面貼裝(SMT)技術，與以往的插件型組裝技術相較之下，所採用的熱交換方式的選擇餘地很小，如果設計不當，就有可能重演 Xbox 360的慘況。例如，對於採用插件型(Pin-Through-Hole，PTH)組裝技術的雙列直插式元件而言，由於具有接地接腳和電源接腳，可與印刷 電路板具有熱傳導和熱輻射功能的散熱板(例如銅板)相接觸，將熱量散發出去。而對於採用表面貼裝技術的元件來說，僅能採用表面接觸的方式進行散熱，由於表 面貼裝元件的接腳非常細小，因而對於熱流而言，其流通截面積受到了很大的限制。

表面貼裝元件的熱設計，已經超過以住所遇到的電子元件 的熱設計考慮，以往所採用的插件型元件的外形尺寸比起表面貼裝元件來說大多了，即使插件型元件上具有高熱負載，也可以透過附著上常規的金屬壓製板材，或者 採用具有足夠散熱表面積的、擠壓成形的鋁製外殼來進行冷卻。而對表面貼裝元件來說，雖然熱量的產生通常要小於插件型元件，但是由於表面貼裝元件的物理尺寸 較小，並且缺乏專門的散熱片黏接方法，從表面貼裝元件上向外進行熱交換的通道受到了很大限制。

當在表面貼裝元件上黏接一塊 散熱片時，尤其是對採用塑膠封裝的元件來說，環氧樹脂黏接劑將會形成一個顯著的熱阻，此外在對流或強迫風冷的通道之中，由於表面貼裝元件的外形較小，因此 表面貼裝元件不能有效地進入氣流的傳熱界面層上，導致了熱交換係數的降低。而當一個具有特定功耗的晶片，安置在較小的表面貼裝組件內時，其產生的功率密度 就增高了，於是要求有較高的熱交換係數，才能保持與插件型元件相一致的溫度。

針對SMT的內部熱設計

為 了提高表面貼裝元件的熱性能，可以對元件組裝本身進行綜合的熱設計處理。例如，接腳數量眾多的方型塑膠扁平封裝元件(PQFP)的熱特性，可以透過增強其 內部的冷卻性能，使得熱傳遞性能大為改善。其中包括使用銅接腳框架增加接腳框的面積和增加組件內的傳熱通道將其與接腳框連接起來，將熱量透過接腳框傳遞到 元件的外表面。採用了這些熱設計措施，將增大方型塑膠扁平封裝元件的功耗散發量，可以從原來的2瓦左右增至3瓦以上。

另外，採用其它熱設計的方式，也能夠改善表面貼裝元件的散熱性能，其中包括增加管芯尺寸、增加銅材製成的電源線和接地線的面積(對於多層陶瓷組件而言)，以及降低塑膠的厚度。所有表面貼裝元元件內部所增加的熱設計措施，將導致費用增加，除此以外，也影響到結構的可靠性。

SMT的外部熱設計方式

為 了能夠將表面貼裝元件上的熱量散發掉，工程師們嘗試了各種方法，其中絕大多數方法同樣也適用於插件型製程情形。有關的系統冷卻技術同時適用於表面貼裝技術 和插件型二種方式。這些技術包括機櫃的熱管理、機櫃和機箱採用自然對流冷卻、強迫空氣冷卻、液體冷卻熱交換和空氣調節器。

一 些常規的電子元元件和印刷電路板上常用的冷卻技術，也同樣可用在表面貼裝元件上，包括傳熱通道、冷板、銲接散熱板、熱導管、致冷片、微型風扇和充滿液體的 冷卻袋等。在表面貼裝元元件的頂部安裝上散熱器，可以顯著地增加SMT元件的散熱面積。當氣流方向不明確的時候，在SMT元件上黏接上正交的鋁散熱片是非 常有效的。

SMT元件所採用的散熱器，絕大多數採用鋁材(擠壓成形、波紋狀板材)，對溫度要求較高的也有採用實心銅散熱 器，目前正引入採用由金屬填充的、具有熱傳導性能的聚合物材料製造的散熱器。採用該散熱器具有一定的優勢，這種散熱器具有適合於塑膠元件的熱膨脹係數，能 夠提供較高的熱傳遞性能，它們可以透過黏接膠接在SMT元件上。

圖說：SMT主機板上的熱導管設計，但此散熱機制大多不如筆記型電腦中的有效，很多時候是以消費者的視覺需求為出發點。（ www.abit.com）

針對PCB的熱計算

電 子設備在工作期間所消耗的電能，除了有用功外，大部分轉化成熱量散發。電子設備產生的熱量，使內部溫度迅速上升，如果不及時將該熱量散發，設備會繼續升 溫，元件就會因過熱失效，電子設備的可靠性將下降。SMT技術會使電子設備的元件安裝密度增大，有效散熱面積減小，設備溫度上升的程度可能會嚴重地影響可 靠性，因此，對PCB熱設計的研究顯得十分重要。

準確確定PCB元件的功耗是一個不斷重複更迭的過程，PCB設計人員需要 知道元件溫度以確定出損耗功率，熱分析人員則需要知道功率損耗以便輸入到熱模型中。設計人員先猜測一個元件工作環境溫度或從初步熱分析中得出估計值，並將 元件功耗輸入到細化的熱模型中，計算出PCB和相關元件「結點」(或熱點)的溫度，第二步使用新溫度重新計算元件功耗，算出的功耗再作為下一步熱分析過程 的輸入。在理想的情況下，該過程一直進行下去直到其數值不再改變為止。

然而PCB設計人員通常面臨需要快速完成任務的壓 力，他們沒有足夠的時間進行耗時重複的元件電氣及熱性能確定工作。一個簡化的方法是估算PCB的總功耗，將其作為一個作用於整個PCB表面的均勻熱流通 量。熱分析可預測出平均環境溫度，使設計人員用於計算元元件的功耗，通過進一步重複計算元件溫度知道是否還需要做其他工作。

一 般電子元件製造商都提供有元件規格，包括正常工作的最高溫度。元件性能通常會受環境溫度或元件內部溫度的影響，消費類電子產品常採用塑膠封裝元件，最高溫 度是85 ℃；而軍用或工業用等級產品常使用陶瓷封裝，工作最高溫度為125 ℃，額定最高溫度通常是105℃。PCB設計人員可利用元件製造商提供的「溫度/功率」曲線確定出某個溫度下元件的功耗。此外，佈線、元件的排列、材質的 選用、散熱孔的配置、導熱材料的應用等，甚至是與晶片之間的熱膨脹係數及可承受溫度考量，都是在設計PCB，所必須注意的重點。

應用在晶片本身的冷卻技術

從 散熱方式來看，晶片的冷卻可以分為被動以及主動兩種方式。前者的特點在於晶片的溫度將會始終高於環境溫度，且沒有制冷結構。而後者則是包含了可將溫度壓制 於接近環境溫度、甚至低於環境溫度的制冷結構；雖然毫無疑問的，後者將更有利於提高晶片的工作性能與穩定性，但是所需付出的代價就是散熱結構將會更為龐 大，且免不了會帶來功耗或者是噪音的增加，而由於具備了類似風扇馬達等機械式結構，在可靠性方面可能也會明顯不如被動式散熱架構。

晶 片冷卻技術中，運輸熱量的介質可包含流體(氣體與液體)、聲音、電子、光子等總共5種。目前廣泛應用的風扇加散熱片結構，即是典型的氣冷方式。藉由鰭片的 配置，改進氣流分布、增加風壓等方式，目前氣冷方式已經逐漸逼近物理極限(<100w/平方公分)。因此，此技術已經難以滿足諸如筆記型電腦等行動 設備的狹小空間散熱需求。而液體因為單位熱容量比氣體來得大，因此若以其作為循環介質的方式來進行冷卻動作，則能夠提供更高的冷卻效率。不過使用液冷需要 考慮到容器的密閉性、循環方式、整體機構設計，一般來說，液冷需要更大的結構體積，以之進行足夠的熱交換動作，方可確保冷卻性能的表現。

為了滿足晶片冷卻的需求，新型態的散熱元件也在逐漸發展，部分廠商則勢將現有的制冷系統微型化導入到小型機殼結構當中。然而微型化所導致的效率問題並不是可以那麼輕易解決的。考慮到導入的難度、體積的微縮，一般應用最廣的該屬熱導管輔以主動風扇的散熱結構。

圖說：熱導管的熱交換方式與內部結構示意圖。（www.content.answers.com）

熱 導管是利用相變化來強化熱交換的傳統技術。典型的熱導管由管殼、吸液芯以及端蓋所構成，其至作方式乃是將管內空氣抽出，到達負壓之後，再充填以適量的工作 液體，再使緊貼管內壁的吸液毛細多孔材料中充滿液體之後，再加以密封而成，一般而言，填充於熱導管內的液體多以純水為主，少部分則是以特殊材質粉末。熱導 管的一端為蒸發端，另一端則視為冷凝端，根據需要，可在兩端之間布置絕熱段。當熱管的一端受熱時，毛細孔中的液體會蒸發汽化，蒸汽在微小壓差的作用下流向 另一端，釋放出熱量，並回歸為液體，再藉毛細現象回到另一端。

熱導管技術已經被普遍應用到筆記型電腦之中，並多輔以風扇等 主動散熱方式來加強散熱。而在UMPC產品的散熱設計中，由於所選擇的處理器熱功耗係數較小，這種情況之下，我們就可以利用機殼本身的結構配合適當的金屬 外殼來達到效果合宜的被動散熱效果。當然，為了達到更好的散熱效果，也可以搭配風扇進行主動散熱，只是這麼一來，在氣流的設計與結構的放置上就要更傷腦 筋。而且這麼一來，系統功耗會隨之增加，連帶的降低了待機與連續可用時間。而隨著處理器的技術進步，在UMPC產品採用不需外加散熱結構低熱功耗處理器， 便有可能在不另加主動散熱方式的前提之下，達到合宜的使用感受。

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