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■ 台北科技大學冷凍空調工程系所∕莊嘉琛、劉國祥 ■
可撓性散熱片為一種固定於電子元件表面，來作為散熱方式的一種產品，其依電子元件熱量不同，改變散熱片的散熱面積，藉由熱傳表面之增加來達到散熱要求，可搭配風扇來增強散熱效果，因散熱性能優良，使電子產品可於較低溫度下運轉，進而達到系統節能之效果。
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電子元件或裝置在運作之過程中，難以避免的會產生熱，而熱之排除，需藉由傳導、對流及輻射方式將熱排出於周圍環境，降低電子產品的運轉溫度，以維持系統運轉的穩定度與可靠度。電子元件常用的散熱方式為散熱片，散熱片為一種固定於電子元件表面之導熱性材料，藉以將電子元件產生之熱傳導至周圍環境，其構造多為底板和鰭片所組成，底板部份直接與電子元件接觸，主要作用為均熱，使熱快速傳導及擴散；鰭片部份之作用為散熱，藉由表面積之增加來傳遞經由底板所擴散之熱，並由空氣對流將熱自鰭片表面散至周圍環境。當鰭片表面積越大，其散熱效果越佳，愈能使電子元件達到應有之效能，愈具有節能之效果。
在電子產品朝向輕薄短小、快速化與多功能的需求下，其發熱量越來越高，隨著3 GHz以上微處理器(CPU)的開發使用，其發熱量更在80W以上，使得電腦的散熱成為一棘手的難題。為達到散熱效果，系統所耗費的動力愈多，昔日的鋁質散熱片散熱效果已不符所需，無法滿足新一代電腦需求，隨之而起的為銅質散熱片。銅材料在熱傳導率上優於鋁，但其比重大、硬度及熔點高、價昂、不易大量生產，使得市佔率僅約5%，一般多用於發熱量大之高階電子產品。而可撓性散熱片的製程研發，克服了以上缺失，不僅重量輕，並得以大量生產，使得銅質散熱片可以輕質化及普遍化，提昇散熱片之效能，降低電腦耗能，並滿足新一代電腦散熱所需。
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一、研究架構
對於如圖1所述之銅質可撓性散熱片而言，以其測試結果來加以說明此散熱片於散熱性能上的優點，進而達到節能效果，並提供研究者或使用者一個選擇方向。
圖1. 銅質可撓性散熱片外形圖
二、研究內容
以市面上常見的電腦用散熱片，針對類型及製造方式，與可撓性散熱片來加以比較，並將可撓性散熱片之測試結果提供參考，藉數值的比較來證明可撓性散熱片的優良散熱效果。
三、研究對象
以銅質可撓性散熱片為研究對象，其測試規格如下所示：
佔有容積：40mm(W)×38mm(L)×20mm(H)
底板厚度：2.0mm(H)
鰭片數量：18片
鰭片厚度：0.1mm(H)
鰭片間距：1.3mm
試驗瓦數：5W、10W、81W
四、研究變數
於電腦散熱片的應用中，對於散熱元件所會產生之影響因素，為以下各項：
製程的影響：包括材料因素、應力集中、接觸面良窳及裂縫等均會影響熱傳效果。
環境因素：由於電腦內部阻礙過多，不利於氣流流通，導致散熱不良，使散熱片效果降低。
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一、市場分析
隨著電腦產品朝向輕薄化、小型化、高功能化及高頻化的發展，散熱片的市場走向為質輕、散熱瓦數高、節能及價廉等方向。
鋁材料具有質輕、價廉等優點，但在電腦高頻化發展下，今年主流之桌上型電腦工作頻率已達到3 GHz，發熱量更高達80W以上，一般鋁製程散熱片已無法滿足實際散熱之所需，其能源消費相對變大，故代之而起的為銅製程散熱片，藉由銅材料的優良熱傳導率，來達到需求的散熱效果並降低電腦耗能。
台灣桌上型電腦用散熱片的產業需求已達一億四千萬片，而銅質散熱片受限於比重大、硬度及熔點高、價昂、不易大量生產等因素，故市場佔有率並不高，於應用上多採用鋁質散熱片。
在電腦產品推陳出新，運算速度不斷加快下，銅質散熱片已是今年市場所需，但銅製程散熱片的重量、生產速度及價格尚無法符合市場所需，而鋁製程散熱片又不足以符合散熱所需，這值得我們投注心力加以研究解決。
二、製程分析
1.鋁擠型散熱片
為使用最廣泛之散熱片製程，製造方式係將鋁錠預熱，加溫至約520~540℃，於高壓下讓鋁液流經擠型模具，做出具連續平行溝槽之散熱片初胚，再經由二次加工，將初胚裁剪、剖溝後製成散熱片。一般常用的鋁擠型材料為#6063，其具有良好熱傳導率(約160~180
W/m.K)與加工性，為最普遍應用之製程。鋁擠型散熱片由於資本投資與生產成本較低，且具有低技術門檻、模具費低、開發期短之優點，普遍用於較不受空間限制之桌上型電腦與伺服器上。
鋁擠型散熱片受限於製程方式，其形狀單純、欠缺變化，難以適應新產品的開發，且散熱鰭片(Fins)細長比有其限制(約&15)，在有限空間下難以提高散熱面積與熱傳效率，故散熱效果較差。在桌上型電腦工作頻率已達到3
GHz以上，鋁擠型散熱片的空間已受到壓縮，需尋求技術與材料上的進一步突破。再者，鋁擠型散熱片由於技術門檻低與價格低之因素，獲利空間有限，於獲利不易下，其生產重心已逐漸轉往大陸。
2.鋁壓鑄型散熱片
在鋁擠型外，另一個常被用來製造散熱片的製程方式為鋁壓鑄型散熱片。其製程係將鋁錠熔解成液態後，充填入金屬模型內，利用壓鑄機直接壓鑄成型，製成散熱片，壓鑄型散熱片可依需求作成複雜形狀，亦可配合風扇及氣流方向作出具有導流效果的散熱片，且能做出薄且密的鰭片來增加散熱面積，故普遍用於受空間限制的筆記型電腦上。
一般常用的壓鑄型鋁合金為#ADC12，由於壓鑄成型性良好，適用於做薄鑄件，但因熱傳導率較差(約96 W/m.K)，現在國內多以#1070鋁料來做為壓鑄材料，其熱傳導率高達200
W/m.K左右，具有良好的散熱效果，但是以#1070鋁料來壓鑄存在著一些如下所述之問題：
(1)壓鑄時表面流紋及氧化渣過多，會降低熱傳效果。
(2)冷卻時內部微縮孔偏高，實質熱傳導率降低(K&200 W/m.K)。
(3)模具易受侵蝕，致壽命較短。
(4)成型性差，不適合薄鑄件。
(5)材質較軟，容易變型。
就以上所言，如何改良材料壓鑄特性，增加熱傳導率，以符合壓鑄型散熱片之散熱及節能需求，實為業界努力的方向。
3.改良式鋁壓鑄製程散熱片
改良式鋁壓鑄製程散熱片為壓鑄式製程的延伸，其特點為先將沖壓鰭片插入線切割成之微小間隙模具內，再將鋁液快速充填進去，而將插入之鰭片與散熱片底板結合，此製造方式之接合界面阻抗要比接合型製程散熱片來得低，其細長比大(&60)，鰭片可採用熱傳導率較佳之材料以提高散熱能力，並降低系統耗能，但其缺點為鰭片插入不易，影響其量產性。
4.接合型製程散熱片
傳統型之鋁擠型或壓鑄型製程，基本上其細長比均有其極限(約&15)，因此在相同體積下，難以藉由提高鰭片密度與減少鰭片厚度來增加散熱面積。為了突破細長比限制以因應電子元件日愈增加的散熱量，可採用接合型散熱片。接合型製程散熱片之方式，係利用鋁擠型擠出具有溝槽之散熱片底板，再將鋁或銅板片做成一片片鰭片後，插入散熱片底板之溝槽上，利用導熱膠或焊錫，將兩者接合。此製程之優點為散熱片細長比可高達60倍以上，散熱效果佳，且鰭片可選用不同材質製作，缺點為需利用導熱膠或焊錫作接合，會存有界面阻抗的問題，而影響其散熱能力。接合型散熱片之製造成本較高，底板部份常需要特別加工處理，且大量生產不易。
5.可撓性製程散熱片
可撓性製程散熱片為新近開發之製程，其方式是先將銅或鋁之薄板片，以成型機折成一體成型之鰭片，然後以穿刺模將上下底板固定，再利用硬焊方式，與機械加工過之底板接合成一散熱片，由於製程為連續接合，適合做高細長比的散熱片，且因鰭片為一體成型，有利於熱傳導之連續性與不同材料組合之彈性，鰭片厚度僅有0.1mm，可大大降低材料的需求，並在散熱片容許重量內得到最大熱傳面積，提升散熱片散熱效果並降低系統耗能。
為達到大量生產，並克服材質接合時之界面阻抗，製程部份採上下底板同時送料，自動化一貫製程，上下底板接合採高週波熔焊接合，藉材料熔合來防止界面阻抗之產生，以建立高強度、緊密排列間距之散熱片。由於製程連續，故能大量生產，且由於重量大幅減輕，效能提升，所以能增加熱傳效率，提昇電腦運轉速度，降低耗能，故能符合新一代電腦之市場需求。
6.鍛造製程散熱片
鍛造製程散熱片係將鋁塊加熱至降伏點後，於模穴內利用高壓使鋁材充滿模穴而形成，其優點為鰭片高度可達50mm以上，厚度1mm以下，可於相同體積內得到最大散熱面積，並降低整體重量，達到經濟效益。但由於所需鍛造壓力極高(500噸以上)，於冷卻之塑性流變時會有頸縮現象，使散熱片易有厚薄、高度不均的情況產生，進而影響散熱效率，且因設備及模具費用高昂，除非大量生產否則成本過高。
7.刨床式製程散熱片
刨床式製程散熱片係先以擠型方式做出帶有凹槽之長條狀初胚，再利用一特殊之刀具，將初胚削出一層層的鰭片出來，其散熱鰭片的厚度可薄至0.5mm以下，且鰭片與底板是一體成型，較沒有界面阻抗的問題，但是缺點為成型的過程中，由於材料應力集中，鰭片與底板接合處會產生肉眼不易察覺之裂縫，進而影響散熱片之散熱功能，且由於廢料、量產性及良率之問題，使得製作成本較高，故目前多偏向於銅材質散熱片之應用。
8.金屬粉末射出成型散熱片
金屬粉末射出成型散熱片主要應用在高熔點、高熱傳導的材料(如銅)，其方式係採金屬粉末射出方式，直接做成散熱片初胚，再利用高溫燒結，製成具有強度及密度之成品。其優點為可將高導熱之銅粉末直接一體成型，成為高效能之散熱片，適用於高發熱量及受空間限制之電子產品上，其缺點為原料成本貴及產品良率較低，多應用於有較高利潤之產品。
三、散熱片優缺點分析
由表1之優缺點分析而言，可撓性製程散熱片具有細長比高、重量輕、散熱面積大、可適用不同接合材料之優點，極適用於發熱量不斷增加之電子元件，但必需克服形狀單純、製程多及材料間易存在有界面阻抗之問題。
散熱片製程
成本低、開發期短、適合大量生產
細長比低(&15)，形狀單純，散熱效果較差
可做複雜形狀，散熱面積大，適合於不易散熱空間
開發成本高、時間長、模具費高，散熱效果較鋁擠型佳，較不適合類型變化快速之電子產品
可插入超薄之銅或鋁鰭片，細長比高，適用不同材料之接合
量產性較差，材料間存在有界面阻抗，會影響散熱效果
細長比高、重量輕、散熱面積大，可適用不同材料之接合
量產性及可靠度較差，材料間存在有界面阻抗之問題
可撓性製程
細長比高、重量最輕、散熱面積大，可適用不同材料之接合
形狀單純，製程較多，材料間易存在有界面阻抗
細長比及材料緻密度高，可變化形狀
模具費及設備費高，需二次加工
刨床式製程
細長比高、散熱面積大、底座與鰭片一體成型
量產性較差、廢料多、形狀單純，材料會有應力集中及斷裂之問題
一體成型，適用於高導熱之銅材料
原料成本高、製程良率低
表1. 不同製程散熱片之優缺點分析
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市場上有不同製程的散熱片來滿足電腦產品的散熱需求，在電腦運算速度不斷加快下，銅質散熱片已是今年市場主流，但銅製程散熱片受限於本身材料特性，量產不易；可撓性製程散熱片則需克服重量、價格及界面阻抗等問題，並於製程中減少流程，方能符合市場需求。
經過不斷的測試與調整，藉由模具的修改，在鰭片打樣彎折後，上下底板以穿刺工法加以固定，再配合高周波熔焊，使上下底板接合，而形成近乎原材質熱阻之界面，最後經由裁切而製成需求的尺寸大小，在不斷的試驗與檢測後，終於有了初步的成績，以下為經檢測單位實測之結果：
試驗瓦數5W及10W時，銅質可撓性散熱片其測試規格、外型(圖2、圖3)及測試數據(表2)如下所述：
規格—佔有容積：
40mm(W)×38mm(L)×20mm(H)
底板厚度：2.0mm(H)
鰭片數量：18片
鰭片厚度：0.1mm(H)
鰭片間距：1.3mm
圖2. 銅質可撓性散熱片測試片外形圖
圖3. 銅質可撓性散熱片之測試模式
經由表2之數據顯示，在試驗瓦數5W及10W時，當風速增，銅質可撓性散熱片之熱阻值急遽降低，具有良好之散熱效果。圖4及圖5分別 為熱源表面溫度及風速圖，以及散熱片熱阻及風速圖。
散熱片中心
表面溫度℃
散熱片鰭片表面溫度℃
環境溫度(Ta)℃
Rja=(Tj-Ta)/P℃/W
表2. 試驗瓦數5W及10W時銅質可撓性散熱片之測試數據
圖4. 銅質可撓性散熱片測試片外形圖
圖5. 銅質可撓性散熱片測試片外形圖
試驗瓦數81W時，銅質可撓性散熱片，其測試規格、外型(圖6)及測試數據(表3)如下所述：規格─佔有容積：83.2mm(W)×69.2mm(L)×20mm(H)
底板厚度：2.0mm(H)
鰭片數量：17片及14片
鰭片厚度：0.1mm(H)
鰭片間距：1.3mm
試驗瓦數：81W
圖6. 銅質可撓性散熱片外形圖
環境溫度 Ta
接合點溫度Tj
Rja=(Tj-Ta)/P
83.2mm×69.2mm×
20mm(17組鰭片 )
83.2mm×69.2mm×
20mm(14組鰭片 )
※補充說明─
風扇型號：台達AFB0724HH
散熱膏：COOLERMASTER (K：4.18 W/m.K) 　
最大風流量：24.01CFM
表3. 試驗瓦數81W時銅質可撓性散熱片之測試數據
經由測試數值可知，銅質可撓性散熱片散熱性能相當優良，於81W發熱量下，其熱阻值可低到0.1664℃/W，而接合點的最高溫度可控制在40.3℃以下，與傳統鋁質散熱片比較，其可大大降低電腦的運轉溫度，不僅節約耗能且使系統穩定，更提昇了電腦運轉速度約35%以上。當電子產品散熱需求不斷增加，而鋁製程散熱片已無法滿足電腦81W以上發熱量之散熱所需時，銅質散熱片的應用將難以避免，於此，藉由測試值我們可以預知，銅質散熱片將是新一代電腦節能及散熱的主流。
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散熱片於電子元件之應用十分廣泛，幾乎每台電腦皆有好幾組不同類型的散熱片來滿足散熱需求。隨著電腦運算速度的不斷加快，使得散熱問題日益嚴重，在有限空間內，如何提昇散熱效果、節能而又不增加電子元件之重量，實為一個難以克服的問題。
於散熱能力而言，強制對流之效能比自然對流之效能優良，但是相對的風扇將難以避免。有了風扇就增加了耗電量，為了求得電腦效率的提昇，就必需增強散熱效率，也就是增加風扇轉速，增加風扇耗電量，同時也增加散熱片的重量。
這顯然與市場的需求是相衝突的，現今市場的走向為輕薄短小、效率高、省電、待機時間長且售價低，這對於散熱片而言，均是朝向相反的方向，其中的環節有待我們來加以克服。由於不同材料物理性質之差異，銅散熱能力約為鋁的兩倍，當鋁材料無法滿足散熱所需時，自然轉而採用比鋁導熱優良的銅材料，而銅材料之所以難以取代鋁材料，係受限於銅本身的特質，包含比重大、熔點高、價昂及加工不易等，使得銅質散熱片一直難以普遍。
銅質可撓性散熱片其優點為質輕(鰭片可薄至0.1mm)、熱傳效率高(表面積大)，但在製程上一直有其難以克服的缺點，當散熱片上下底板接合時，存在有界面，當界面存在，就存有熱阻，要消除熱阻，除非是相同材質，即是以熔合方式予以接合。經不斷的嘗試與修正，應用了熔焊的方式，克服了介面阻抗的問題，藉由可撓性鰭片的超薄厚度，大大的降低了散熱片重量，並因表面積的增加，提昇了散熱效果，使得銅質可撓性散熱片能解決電腦的散熱需求，並符合輕薄短小、減少耗能之目的。
在實測的數據顯示，銅質可撓性散熱片具有優良的熱傳導性能，可符合電腦的散熱需求，但在應用上受到以下的幾點限制：
1. 形狀單純，較適用於桌上型或筆記型電腦的電子元件。
2. 對於複雜空間的環境，不易改變型狀以符合所需。
3. 鰭片強度較弱，應用於電子元件需採用較特殊扣具。
4. 上下底板之校準不易，製作時需特別規劃校正設備。
5. 由於採熔接方式，銅材質會有氧化現象。
6. 需設置還原設施，以回復銅材質之優良熱傳導性能。
經由不斷的修正與檢測，在最重要的熱傳性能上，銅質可撓性散熱片搭配風扇，已可符合電腦81W發熱量的散熱需求，且不必特別提昇風扇轉速，由於轉速不必提昇，即降低了耗電量的需求，且由於銅的優良熱傳導率，使散熱迅速，增加了電腦的運算速度與穩定性，故銅質可撓性散熱片可謂切合了目前市場的需求，在可預見的將來，銅質散熱片的不斷推出，將會逐步取代鋁質散熱片，而成為市場主流。
本文蒙可撓性鰭片散熱裝置發明人簡鵬之協助得以完成，特此誌謝。
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