IT產品導熱與散熱漫談專輯系列(一)─機板的散熱有不同解法 IT產品散熱新技術與新材料探討
- 徐漢高
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IT產業多年來印證著摩爾定律的存在，也就是說每18個月，每1美元所能買的電腦性能，將提升2倍以上。我們在使用著世代更新的電腦產品時，也不能不省思電腦效能的提升，卻也意味著熱能與耗電量在不斷的增加著。筆記型與桌上型電腦散熱問題更為嚴重，至今仍常成為系統瓶頸。我們可不可以在追求資訊產品性能提升與重視地球暖化節能省碳之間，取得一個和諧的平衡點？答案是有的，那就是運用新材料與新技術，在導熱與散熱這兩大瓶頸有所突破。
導熱和散熱就像交通問題，在歐洲，德國是相對人口較多的國家，原因是它的高速公路沒有速限，因此非市區也聚居許多居民；然而若高速公路沒有速限，但交流道設計不良，就又會成為交通瓶頸。因此，交通要順暢，兩者必須兼顧，如此可以提供更好的通勤環境。
導熱和散熱是兩個不同的概念，以電路板來說，基板角色應該扮演導熱而非散熱，將熱從傳到空氣中才叫散熱。但是現在的8層或10層電路板是銅箔與玻纖結合再打孔，雖然銅箔的導熱係數極高，可是熱的傳導卻被玻纖樹脂給阻絕了。即使是有主機板廠商在PCB的電源層及接地層採用好幾盎司的純銅電路板，以求降低系統運作溫度。但是我們要想想方向有沒有弄錯了？導熱係數高但是厚銅箔片也會增加熱阻值，而且每層基板間有沒有用對熱傳導的介質，否則導熱係數再高，高溫傳導不出去，系統溫度還是降不下來。所以說散熱問題比起導熱來說，更為嚴重，往往成為瓶頸所在。
傳統熱管理使用的方式為風扇和散熱器(heat sink)，這在長遠來看是一定要改善的，風扇轉動無法節能，而且有灰塵堆積，影響散熱器耐用性，使用的散熱鰭片上還有陽極處理避免表層氧化，這層陽極處理卻也把熱封住在鰭片內，所以效果有限。大家都認為，系統散熱問題必須有更好的方式解決。
可能的更好的方式有哪些？藉由氣流方式、增加表面面積、還是減少質量(厚度)，以減少熱的儲存？
以導熱率k和熱阻Rt來看，Rt=l/k，一般強調k值要高，認為導熱率才好，但沒有考慮到厚度；厚度低熱阻才會小，而熱阻小才完整地表達散熱效果。以傳統MCPCB來看，銅箔層厚度35μm，黏合層100μm，鋁基板1,500μm，總厚度超過1,600μm，k以典型或最佳值來估計，分別為400、1(最佳)和200W/m-K，計算熱阻分別為0.1、100和7.5μm2-K/W，合計熱阻換算為公分為1.08cm2-K/W，這才能看出MCPCB散熱效果的全貌。以商品化的幾種MCPCB來看，熱阻一般在2~4μm2-K/W。
不過，上述是以3層熱阻分別計算來合計，未來，介面熱阻升高則為產品可能產生的問題。另外，若以微觀的角度來看基板表面，其實是粗糙不平的，需要以液態物質才能填滿。銅箔玻纖基板間的縫隙是否填滿是一個問題，微小的縫隙其實就是熱阻。這些熱阻會讓熱度無法被有效的傳導到基板表面，部分被傳導到基板表面的熱，不幸的又被傳統硬式電路板的阻焊油墨(俗稱綠漆)給擋住了。
新材料與新技術應用趨勢
冠品化學曾在10月5日在電子時報舉辦的LED供應鏈論壇中發表軟陶瓷散熱漆，軟陶瓷導熱膠膜與散熱型防焊油墨，提供印刷電路板導熱與散熱新應用。傳統印刷電路基板現有製程與材料，已經無法再應付日益增高的處理器與晶片溫度。新發展的散熱型印刷電路板是在每層基板間，加入軟陶瓷導熱膠膜，把每一層的熱度往上往下傳導出去；電路板上下表層改用熱固型散熱阻焊油墨，確實的把熱度由表面發散開。採用新材料新工法的印刷電路板，溫度發散的更快也更節能省電。
冠品軟陶瓷散熱材料，是一種兼具耐高酸鹼值(PH 3~11)、絕緣、防水、抗靜電、高耐候性、高散熱性及自清性材料。除了應用於印刷電路板外，還有其他應用，像是LED/LCD TV大型散熱鋁板、電容器、各種高溫運轉發熱，且需曝露於自然環境的機具，如馬達、熱交換器、變電箱、內燃機等。之前我們常聽到遊戲機、智慧型手機、數位相機、筆記型電腦陸續傳出會過熱當機的情事，對於這種因散熱不良導致系統停機的問題，冠品化學研發部葉聖偉博士認為有解。葉博士表示因與客戶簽署保密協定的關係，詳情不便透露太多。基本上其解法就是從電路板開始，把軟陶瓷導熱膠膜夾入，PCB表層改用散熱油墨，更甚者是把電容器、電阻的表面陽極處理及塑膠膜捨去，以軟陶瓷散熱塗料噴塗取代，連機體外殼的電鍍或傳統烤漆也改用散熱塗料保護。等於是由內而外的重組導熱與散熱機制，一次到位的把過熱解決。(本文作者 葉聖偉博士，曾任美商3M在明尼蘇達州總部研發主管，目前擔任冠品化學研發部主管)
