熱設(shè)計(jì)連載3－－散熱的夢(mèng)魘

對(duì)很多產(chǎn)品廠商來(lái)說(shuō)，由發(fā)熱造成的故障并非和自己無(wú)關(guān)。即便過(guò)去對(duì)散熱處理不需要太重視的企業(yè)，近來(lái)伴隨著產(chǎn)品的小型化和高性能化，散熱困難的現(xiàn)象也越來(lái)越明顯。 比如說(shuō)筆記本電腦，與散熱有關(guān)的CPU耗電量“近幾年來(lái)一直在30～35W左右”（英特爾移動(dòng)平臺(tái)集團(tuán)日本移動(dòng)支持中心部長(zhǎng)野原伸弘）。但是，為了進(jìn)一步追求產(chǎn)品的薄型化、小型化及輕量化，確保追加光驅(qū)等新功能時(shí)的空間，主板的面積則一直在縮小 注2～3）。結(jié)果導(dǎo)致主板封裝密度不斷升高，而散熱越來(lái)越困難。

注2）不要忘了隨著CPU耗電量增大，芯片組及存儲(chǔ)器的耗電量也增大。現(xiàn)在，存儲(chǔ)控制器LSI（北橋芯片）的耗電量一般為10W，輸入輸出控制器LSI（南橋芯片）為2～3W，存儲(chǔ)器為3～5W。尤其，存儲(chǔ)器方面，“自從OS變成‘WindowsVista’以后，發(fā)熱明顯，也不得不開(kāi)始考慮冷卻”（NEC個(gè)人產(chǎn)品PC業(yè)務(wù)本部開(kāi)發(fā)生產(chǎn)業(yè)務(wù)部移動(dòng)商品開(kāi)發(fā)部大久博充）。

注3）比如，索尼筆記本電腦“VAIOtypeT”（“VGN-TZ50B”等）的主板比原機(jī)型減小了約30%，面積為1萬(wàn)mm2。東芝筆記本電腦“dynabookSSRX”的主板比原機(jī)型減小約35％，面積為1萬(wàn)1600mm2。

便攜產(chǎn)品方面，機(jī)殼溫度的限制也使散熱更為困難?，F(xiàn)在，很多廠商“內(nèi)部規(guī)定，將高出環(huán)境溫度14℃設(shè)為機(jī)體溫度的上限”（沖電氣工業(yè)信息企劃部部長(zhǎng)國(guó)峯尚樹(shù)）注4）。便攜產(chǎn)品的機(jī)殼大多起著向外部散熱的散熱器作用，但在產(chǎn)品小型化和高性能化的趨勢(shì)下，要做到這一點(diǎn)并不容易。

注4）依據(jù)是一般認(rèn)為在與44℃的物體接觸6小時(shí)會(huì)出現(xiàn)低溫?zé)齻?。比如，在室?7℃的環(huán)境下使用時(shí)，機(jī)體溫度的上限為41℃。

挑戰(zhàn)散熱極限

沖電氣工業(yè)的國(guó)峯指出，手機(jī)等自然冷卻的電子產(chǎn)品“已經(jīng)看到了散熱的極限”。這是因?yàn)槟軓漠a(chǎn)品表面散出的熱量有限的結(jié)果。大致來(lái)說(shuō)，產(chǎn)品體積1L的耗電量超過(guò)10W，就難以實(shí)現(xiàn)自然冷卻。

比如，使用輸出電壓為3.7V、容量為800mAh的電池能夠連續(xù)4小時(shí)收看電視節(jié)目的手機(jī)，收看電視時(shí)的耗電量為0.74W。假設(shè)手機(jī)體積為0.1L左右，1L的耗電量就是7.4W。該值本身尚未達(dá)到散熱極限，但已經(jīng)沒(méi)有余地。

盡管如此，以手機(jī)為首，日益小型和高性能化的各種便攜產(chǎn)品不斷上市。而在背后支持這些產(chǎn)品的正是熱設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)的早期階段，就開(kāi)始考慮部件發(fā)熱量及產(chǎn)品表面和風(fēng)扇等的散熱量、成品的散熱途徑，通過(guò)模擬及局部實(shí)測(cè)掌握各部分的溫度信息。產(chǎn)品廠商的目標(biāo)是使產(chǎn)品的所有部分“不蠻干、不浪費(fèi)、均勻”地散熱。

沒(méi)有熱設(shè)計(jì)，就沒(méi)有產(chǎn)品

產(chǎn)品廠商開(kāi)始加大力度的熱設(shè)計(jì)本身，并非現(xiàn)在才出現(xiàn)的技術(shù)。以往在大型計(jì)算機(jī)及電源等產(chǎn)品中就已經(jīng)采用。不過(guò)在過(guò)去很長(zhǎng)時(shí)間里，對(duì)消費(fèi)類產(chǎn)品而言，熱設(shè)計(jì)始終屬于一種理想，在成本核算上無(wú)法用于實(shí)際開(kāi)發(fā)。

現(xiàn)在，這種狀況正在發(fā)生根本性的變化?，F(xiàn)在可以聽(tīng)到很多產(chǎn)品廠商的開(kāi)發(fā)人員強(qiáng)調(diào)“沒(méi)有熱設(shè)計(jì)，就沒(méi)有產(chǎn)品”。

松下電器產(chǎn)業(yè)投產(chǎn)了利用熱設(shè)計(jì)在原有CD/DVD基礎(chǔ)上增設(shè)藍(lán)光光盤功能、并將尺寸保持在與原產(chǎn)品相當(dāng)水平上的筆記本電腦光驅(qū)（圖3）。藍(lán)光光盤用激光源等比CD/DVD用激光源發(fā)熱量多，并且耐熱性差。“為確保激光頭壽命，必須完全確保溫度條件，基于模擬的熱設(shè)計(jì)發(fā)揮了很大作用”（松下電器產(chǎn)業(yè)BD業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)工作組參事守屋充郎）注5）。（未完待續(xù)）

圖3：在藍(lán)光光盤裝置中熱設(shè)計(jì)不可缺少松下電器產(chǎn)業(yè)為實(shí)現(xiàn)高12.7mm的藍(lán)光光盤裝置，在激光頭部分和光學(xué)平臺(tái)等設(shè)計(jì)中采用了模擬。光驅(qū)是適用于筆記本電腦的通用產(chǎn)品，因此不能改變外形尺寸。關(guān)鍵是在新增藍(lán)光光盤光學(xué)系統(tǒng)等之后，封裝在與原來(lái)CD/DVD兩種波長(zhǎng)產(chǎn)品相同的尺寸中。

注5）藍(lán)光光盤裝置用激光源及激光器驅(qū)動(dòng)IC的耗電量為1.3W左右，相當(dāng)于以往CD/DVD裝置的1.5～2倍。將其與CD/DVD裝置用激光源等一起封裝在了體積只有約5.5cc的激光頭中。