散热设计技术讲座3

在上一章里，确定了用于平衡整个装置能量收支的风扇种类。本文将以此为前提来设计散热片。从求出热传导率及散热量的公式来考虑即可得知，散热片（HeatSink）的大概性能可通过简单的手工计算来求得。下面将结合首款PS3的实例，证实手工计算得出的结果与实际装置上采用的散热片的惊人一致之处。在【技术讲座】热设计基础（二）风扇只需根据能量收支决定一文中曾提到整个装置中的热能收支是相互吻合的。下面，开始介绍散热片的设计。想让滚烫的拉面凉下来时，大家会怎么做？一般会呼呼地吹气，对吧？这是利用了【技术讲座】热设计基础（一）：热即是“能量”，一切遵循能量守恒定律中介绍的“热传导”原理的冷却方法。这个时候，怎样做才能让拉面有效地冷却下来呢？热传导实现的散热量公式如下：通过热传导实现的散热量［W］＝热传导率［W/（m2·℃）］×散热面积［m2］×与周围的温度差［℃］由于温度差，也即拉面温度与吹出的气息温度之差是确定的，无法改变。然而，如果增加散热面积，就能增加散热量。如果将用筷子夹起的面条摊开，借此加大散热面积，并让所有面条都均匀地接触到空气，便可有效地使面条冷却下来。散热片（HeatSink。字面意思是“热量分流槽”）利用了与此完全相同的思路。使发热源的热量扩散到面积较大的翼片（叶片）上，然后通过热传导将热量转移给空气，这就是散热片的功能。让我们来复习一下计算散热量时一定会用到的热传导率。热传导率会随着散热面的放置方式而发生变化。强制性地使空气沿着与散热板平行的方向流过时，热传导率的计算式如下。也就是说，与散热量相关的变量有以下4个。①散热面积：越大越有利于散热。如果散热面积增加1倍，则散热量也增加1倍。我想大家经常会看到由多枚很薄的翼片重叠而成的散热片，其目的就是为了在狭小的空间获得较大的散热面积。②温度差：温度差越大，则散热能力越高。如果温度差增加1倍，则散热量也增加1倍。散热片之所以采用铝及铜材料，就是为了在尽量不降低温度的情况下，把发热源的热量传导到翼片上。③流速：流速提高，则热传导率也提高。不过，即使流速增加1倍，热传导率只增加0.4倍，也就是说，散热量只会增加0.4倍。④气流方向的长度：该长度越短，则热传导率越高。这是因为，在气流方向的下游空气温度会上升，而冷却能力则会下降。在相同面积的翼片上，如果在气流方向上以长度较短、而横向较宽的方式配置散热片，则散热量增大。下面，让我们来计算一下散热片的散热能力。如右图所示，在80℃的散热板上，让40℃的空气平行流过的强制空冷散热片时的实例。从散热面散发出的热量达到了2.44W。因为每枚翼片都有正反两面，所以，应该有2倍的4.88W热量从翼片散发出来。让我们将这种翼片放到作为发热源的芯片上试试看。假定芯片的表面温度为80℃。在此，我们暂且忽略从芯片表面到翼片根部的热接触阻抗等，假设翼片根部的温度也是80℃。前面是在假设翼片温度均匀分布的情况下进行的计算，但实际上不可能整个翼片都是相同的温度。也许接近芯片的部分是80℃，但翼片上方的温度会略微下降。因此，散热量会小于上述的4.88W。例如，会减小到70％或者85％。随着翼片内部温度分布的不同，散热量会降低到翼片整体为均一温度时的百分之几，我们将这个百分数称为“翼片效率”。翼片效率可通过翼片的热传导率及尺寸进行计算。在刚才的例子中，假设翼片的热传导率为170W/（m·℃）、厚度为1mm，我们将其带入到公式中算一下。得出翼片效率为81％。就是说，每枚这种翼片的散热量为3.97W。假如想散发100W的热量，那么就需要26枚翼片。大家可以利用表计算软件等，试着改换多种变量来计算一下。这样就能切实感受到采用什么样的翼片时会散发多少热量。下面，让我们用以上介绍的计算方法来设计第一代“Play-Station3”（PS3）的散热片。不过，在此之前必须有设计思想。设计是一门艺术，解不会是只有一个。基于什么样的想法、设计成什么形状，这些都必需在设计之初确定下来。否则的话，要么会中途迷失方向，误入歧途，从而求不出答案；要么最终得到一个修修补补、东拼西凑出来的设计。笔者在确定设计思想时，只想一个问题：“什么样的设计才是最理想的？”。我觉得，重要的是抛弃根据晦涩难懂的专业知识及经验得出的成见，单刀直入地考虑问题。首先，我们来考虑“理想的散热片”。理想的散热片究竟应该是什么形状的？为了提高热传导率，在气流方向上长度要短，在气流的横向上要宽，这是最理想的。这样才能使热量扩散到产生气流的整个区域。这与上一章介绍的“消除那些不做功而白白流过的空气”这一目的相吻合。在上一章，我们决定在首款PS3上采用离心式风扇。让我们按照这一理想，思考一下离心式风扇中的理想散热片形状。离心式风扇呈放射状地向所有方向进行排气。如果在这一气流发生的整个区域薄薄地配置上散热片的话……。那就会形成像面包圈一样的形状。“对离心式风扇而言的理想散热片形状，是面包圈形”。笔者将此作为基本的设计思想，设计出了PS3的散热片。接下来，让我们来确定散热片设计的前提条件吧。首先是流速。根据装置整体热收支的计算，风扇的性能指标被确定下来。根据该数值可以计算出空气刚从风扇吹出时的流速为1.4m/s。然后是散热片的尺寸。假定“面包圈”的厚度与风扇相同，内径也与风扇相同。气流方向的长度暂且假设为30mm。这样，面包圈的外径便是200mm。材质为纯铝，翼片的板厚暂且假设为0.5mm。与温度相关的条件也必不可少。假定芯片表面的容许温度为80℃时，翼片的根部温度会低几度，因此，我们预先假设为75℃。另外，流入散热片的空气温度方面，我们设定得比40℃的环境温度高一些。这是因为，空气从吸气口进来之后，先对产品内的各部位进行冷却，然后才会到达散热片。因此，暂且定为50℃。最后是热处理能力。PS3的散热片负责冷却“Cell”及“RSX”这两个LSI。在此，我们将其合在一起作为1个芯片进行计算。虽然Cell及RSX的耗电量没有公布，但作为散热片，我将其热处理能力定为合计200W。利用以上条件，就可以通过前面列举的计算式来计算“需要几枚翼片”。因为翼片的尺寸为30mm×30mm，所以，热传导率为26.4W/（m·℃），平均每枚翼片的散热量为1.19W（翼片各处的温度一律为75℃时）。翼片效率为88％，因此，实际的散热量为平均每枚1.04W。也就是说，要想散发200W的热量，则需要193枚翼片。如果在“面包圈”中均等地配置翼片，那么翼片的间距约为2.8mm。因为实际装置中还要配置其他部件，所以肯定不能向整个圆周方向进行排气。如果假定向整个圆周的70％进行排气，则翼片的间距约为2mm。综上所述，首先通过简单的手工计算进行粗略的设计。然后，再结合商品的性能对数值进行微调，或者通过实验来更新“暂定”的数值，从而逐步推敲出一份最佳设计。如果利用表计算软件等，上述计算将会十分轻松。下面，笔者给大家介绍一下针对首款PS3实际开发的散热片的详情。首先，是散热片的基础部分。在刚才的计算中，我们将整齐排列的所有翼片的根部温度假定为75℃。假设身为热源的芯片的表面温度为80℃，那么就必须以温度下降5℃以内的方式、将热量从芯片输送到“面包圈”的整个基础部分。为此，PS3采用了导热管（HeatPipe）。所谓的导热管，是一种可传输热量的铜制导管。两端通过焊接进行了密封，内部接近于真空，并且注入了一些水。我想大家都听过这样一个说法，如果在富士山的顶上烧开水，不到90℃就会沸腾。而导热管内部的水，由于在接近真空的环境下，所以在人体温的温度下就会沸腾。热源的热量借助因沸腾而比平时高出数倍的热传导率转移给了水蒸汽，这些水蒸汽在导管中温度较低的部分散热，变回液体的水。通过重复这一过程，导热管变得整体几乎没有了温度差。就是说，成了一个“热传导率接近于无限大的棒状物体”。很神奇吧。另外，在与芯片的接触面上，没有采用直到“PlayStation2”一直沿用的导热膜，而是采用了导热油。这样一来，接触面的温度降幅会相差几度。虽然成本会增高，但越是靠近热源、热量密度越大的部分，就越有效果，因而此次在接触面上涂覆了导热油。针对翼片的配置也下了工夫。在此次的设计思想中，风扇叶片的前端会以高速通过散热片的翼片近旁。如果将翼片1枚1枚地竖立着排列，也就是相对于风扇旋转方向垂直排列的话，叶片通过翼片的旁边会导致产生“啪嗒啪嗒……”的风阻噪声。为了防止这种噪声，我们使翼片相对于风扇旋转方向呈水平状地进行了横向排列。这样完成的首款PS3的冷却单元，其形状如下方左图所示。如各位看到的那样，用于将热量转移给空气的冷却翼片，环绕着风扇周围进行配置。这与设计思想相吻合。如果风扇旋转，空气便会如下方右图箭头所示的那样流动。用于从芯片底板向翼片转移热量的立柱，没有采用圆柱，而是采用了扁平截面形状的柱材。这是为了使空气顺畅地流动。该立柱沿气流方向设置了角度后进行配置。在对于这种细节的研究中，充分利用了仿真技术。包括冷却翼片在内的散热片，实际上分为Cell用及RSX用的两种。这是为了消除Cell及RSX封装高度的误差。散热片可根据封装高度进行移动，以避免对底板及LSI施加压力。受热块从Cell及RSX这两个芯片接收到的热量，通过合计5根导热管以及1mm厚的铝制芯片底板，沿水平方向扩散。通入了3根导热管的受热块为Cell用，通入了2根的为RSX用。然后，沿水平方向扩散的热量转移到垂直竖立的“立柱”上，并被分配到插入立柱中的铝制翼片上。经过详细的实验及检验，翼片的间距最终定为2.0mm。受热块、芯片底板、导热管及立柱在涂了焊锡膏并进行组装之后，要在回流炉中加热，予以固定。覆盖并附着在导热管前端的板金部件，是防止冻结时变形的加强板。在包装状态下进行保管时等、气温达到0℃以下时导热管内部的传动液会冻结，导管产生膨胀。板金部件就是用于防止这一现象的。板金部件安装在包装状态下朝向下方的一侧，也就是积水的一侧。首款PS3的散热片设计大家觉得怎么样？实际开发的散热片的整体尺寸、冷却翼片的配置及间距等，与此前介绍的手工计算时的尺寸几乎一致。“手工计算能做到如此精确吗？！”，对此感到吃惊的人应该不在少数吧。所以，手工计算也不容小觑哦。手工计算时最重要的，并不是精度。理论上应该会出现什么结果？现实相对于理论值会出现多大的偏差？另外，有没有出现严重的失误？一边坚持不懈地去发现问题，一边进行设计，这才是至关重要的。当然，在这之后进行严格的实验并进行验证，这些工作也必不可少。（特邀撰稿人：凤康宏，索尼计算机娱乐第1业务部设计部5科科长）