小型電子產品的冷卻技術

前言：電子產品往輕薄迷你發展，這些小型電子產品，為何能在有限空間裡冷卻眾多半導體電子元件所產生的高熱？是決定產品的性能以及尺寸的重要關鍵。尤其最近Netbook或是Smart Phone等更高性能、或是LED高輝度照明應用，產品面臨的極大的散熱難題，勢必採用風扇強制冷卻的手段進行產品設計，而適用於這些小型產品的微型風扇，即成為重要的關鍵零組件。

本文：
隨著IT化的進展，通訊產品的開發亦無止境的發展，踏著此技術成果的電子產品的性能提升令人驚嘆。而隨著性能提升，不可欠缺的半導體的高密度化則面臨必須解決由半導體電子元件增加的發熱量以及每個電子元件單位面積所增加的發熱量，此兩觀點所引起的散熱課題。

搭載風扇來解決小型電子產品的散熱問題，雖然比自然對流的散熱方式能夠得到更大的散熱效果，但另一方面，搭載風扇進行散熱也存在著特有的課題。那就是 1、當風扇發生故障時散熱效果會降低 2、會發生噪音 3、為使風扇驅動，電力即為必要…等這些問題。

1995年當筆記型電腦搭載風扇進行散熱時，使這些課題變得明確化，而經過了14年間的問題改善，筆記型電腦也擁有解決這些課題的歷史，因此隨著回顧筆記型電腦的散熱技術發展的歷史，當思考如何解決最新的小型電子產品所面臨的散熱問題時，個人認為相當具有參考價值，因此於本文章中，藉由追溯這段歷史，同時也考量當小型電子產品搭載風扇時，應該採用如何的散熱設計，而當選用風扇時又該考量何種問題，以及說明關於最新的超小型風扇的動向。

小型電子產品的散熱濫觴 筆記型電腦問題研究

在筆記型電腦上採用強制氣冷風扇始於1995年Intel的Pentium CPU的上市。雖然當時為打破最高速CPU 80486的性能界限而推出Pentium，然而同時其發熱量也飛躍似地增大至16w，由於以往的自然散熱技術用於筆記型電腦系統上的散熱已出現困難的情況，因此風扇的散熱方式開始被採用了。

當時CPU的散熱，是採用以鋁或銅的散熱板使CPU的熱於系統內進行自然散熱的方式為主流，對於發熱量增加的Pentium的散熱問題，CPU製造商則提倡採用導熱管來降低散熱板的熱阻抗的方式。

由於此散熱方式是為使CPU的熱能擴散至筆記型電腦內部，因此系統內部的溫度會上昇，雖然對於能耐熱溫度95℃左右的電子零件以及更高溫CPU的散熱是可行的，但對於耐熱溫度55℃~60℃低溫的HDD，FDD或是CD-ROM也會有不適用的情況。此散熱設計的考量是將擴散於筆記型電腦內部的熱，最終由框體散熱至外部，但隨著製品的小型化，薄型化，散熱至外部的面積減少，並且筆記型電腦的表面溫度有極限，再加上CPU的發熱量仍會繼續增加，因此筆記型電腦的散熱設計是有極限的。

話雖如此，電腦製造商對於在筆記型電腦上採用風扇散熱方式一事，其對應方式為慎重的，東芝於1995年春天推出搭載Pentium的Sub Note，乃採用如下圖所示，Heat Sink一體式的強制氣冷方式的風扇，然而各家廠商ㄧ齊採用則是於一年之後的事了。

至於較晚採用理由，當時的電腦製造商指出的三大難題，要在筆記型電腦上採用風扇將會：1、因風扇故障而無法散熱(信賴性)；2、風扇噪音擾人(靜音化)3、消耗電力使電池負荷增大(省電力)。

以上為不採用風扇理由的三大課題，於筆記型電腦搭載風扇已經過14年的現在，雖然已經大幅改善。但一般認為在「其它」小型電子產品，如行動電話上不採用以風扇強制氣冷的理由，是因為風扇佔有空間上的問題。

14年前即使採用風扇散熱有這麼多需要克服的課題，然而對於冷卻發熱量持續增大的CPU，同時還要保持HDD等的耐熱溫度於界限內的散熱手段，除了採用強制氣冷風扇散熱之外別無他法，隨著對此認知被廣泛推廣，因此於1996年之後筆記型電腦對風扇的採用亦急速增加。

雖然不搭載風扇的散熱方式為最理想，但隨著進展為高性能化以及高機能化的商品，如微型投影機，UMPC，4G行動電話，LED照明等散熱課題的解決，情況與14年前相同，認為除了採用風扇散熱方式之外別無他法。以下對於採用風扇伴隨而來的三個課題，將由筆記型電腦散熱的技術史的觀點說明關於風扇及筆記型電腦採用了何種開發技術。

高散熱化及靜音化

靜音化的追求不只是要降底由風扇單體所發出的噪音，還要降低將該風扇裝設於筆記型電腦時由系統發出的噪音，由此兩方面著手是有必要的。關於降低風扇單體的噪音，各風扇廠都有其獨自的訣竅，這裡所要敘述的是關於當選定最適合的風扇後如何減低筆記型電腦系統本身的噪音。此想法為對於採用風扇冷卻方式的其他電子產品也適用的重要理論。

依據風扇對筆記型電腦的散熱概念，以風扇由系統外部在溫度Ta吸入風量Q的空氣，以溫度T2排出空氣。以溫度Ta的空氣冷卻系統內部CPU以外的部品，於溫度T1上昇之後進入風扇，冷卻因CPU的熱而達到高溫的Heat Sink後，再以溫度T2將空氣排出系統外部。

此情況，風扇的散熱效果為對CPU以外的部品的散熱效果H1及對CPU的散熱效果H2的合計，各自如下所示：
H1=p X Cp X (T1-Ta) X Q
H2=p X Cp X (T2-T1) X Q
H1+H2=p X Cp X (T2-Ta) X Q
p：空氣的密度 Cp：空氣的比熱
Ta：四周溫度(室溫) T1：風扇吸氣溫度
T2：系統排氣溫度 Q：風量 X：乘號

總之，筆記型電腦的系統散熱效果為(T2-Ta)XQ，其中CPU的散熱效果則取決於(T2-T1)XQ。

關於一般風扇的噪音，由於風量Q增加噪音便會增大，抑制噪音並增加散熱效果不只是在於增加風量，應該是要追求增大(T2-Ta)或(T2-T1)的散熱構造。由此觀點來看，筆記型電腦於1997年時，如下圖所示，風扇與Heat Sink以及導熱管一體的Hybrid構造隨著出現，並且被大幅採用於筆記型電腦。

以下圖散熱理念為基礎而應用於行動電話的冷卻模組。由於行動電話的散熱空間非常有限，因此風扇本體為鋁材構成並搭配Heat sink。IC的熱是經由厚度0.1mm的碳石墨片(熱導率800W/℃･ｍ)傳達至含風扇本體的散熱片(Heat sink)，並在那裡有效率地與空氣進行熱交換。

因此，較筆記型電腦更為超小型的電子產品，如UMPC或微型投影機等，若評估其風扇散熱效果時，除了考量風扇與Heat sink的構造ㄧ體化之外，驅動風扇的輸入值亦值得注目。例如當風扇的冷卻效果為1w時，若風扇的輸入為1.5w，反而變成將0.5w的熱加在系統。
關於現在市面上販售的超小型風扇，經調查此現象得知結果，散熱效果假設算出T2-Ta為15℃，則尺寸15X15X3mm，散熱效果2.12w；換言之風扇輸入0.12w，實際散熱效果2w，故當選擇風扇時，此實際散熱效果也需要考量。

降低筆記型電腦的噪音還有另一個方法，便是以散熱所必要的最低回轉數控制風扇的回轉數以及將噪音降至最低。由於一般在定電壓之下驅動的風扇回轉數會有差異，因此於散熱上若回轉數下限值可行的話即可，因由於差異造成回轉數增加時噪音也會隨著增加，因此沒有任何優點。

而使用在筆記型電腦上的風扇，由於受空間的限制而採用非常精密的微型風扇(Micro Fan)，其結果導致馬達輸出變小，因此馬達機械的負荷變動使風扇回轉數變大，而成為噪音值分布不均的要因。下圖所示為以筆者所屬的SUNON公司製造的尺寸40mm厚度20mm的風扇，因風扇溫度影響回轉數的變化。可看出由常溫至60℃的範圍內，每20℃約5%，其回轉數的變化約300rpm。

此回轉數變化的主因為軸承的潤滑油的粘度是因溫度而產生變化。由此事可得知由於Micro Fan微小的機械損失的變動即會引起很大的回轉數的變化，因此風扇的定格回轉數的公差為±15%以上有變大的傾向。

另一方面，從小型電子產品製造商的立場來看，若裝入風扇回轉數的公差大的情況下，個別製品的噪音等級的差距亦相對增加，便與風扇製造商對於回轉數要求公差小一事產生矛盾，因此新的解決對策的需求被提出，即為風扇的PWM控制方法。

此為以風扇回轉數比例於系統上檢測FG信號，將其回轉數作為設定回轉數，以PWM控制風扇驅動電壓之技術作為筆記型電腦的風扇回轉數控制法，於1977年首次被導入，現在亦被採用於桌上型電腦等成為風扇回轉數控制的主流。

雖然因採用此控制法，而將風扇各自具有因機械漏失的變動而產生的回轉數差異，也由於此差異而導致噪音不均的情況隨之解決了，但是今後導入風扇散熱的微型投影機或是4G行動電話等超小型電子產品等所需之風扇，皆較筆記型電腦所採用的風扇為更小型，回轉數的差異亦為更大，因此風扇的PWM控制是不可欠缺的技術。

風扇可靠性的提升關鍵

一般認為於筆記型電腦上所謂的風扇的信賴性主要是指壽命的問題。由於當風扇一旦停止便無法得到所期待的散熱性能，因此多會考慮使用環境溫度為約比常溫高出許多的50℃，而風扇規格則被要求在60℃，MTBF(平均故障間隔)的壽命多被要求在3萬小時。1995年當時，搭載於筆記型電腦用的風扇軸承，被分為Ball Bearing(滾珠型)或含油燒結金屬的Sleeve(油封型)，或者是折衷結合Ball Bearing和Sleeve的類型。

搭載Sleeve的風扇至當時為止，由於在其它用途上是於常溫下使用，因此若將其應用於使用環境溫度50℃高溫的筆記型電腦上，由於高溫會使潤滑油漏油、且潤滑油不足便會在較短的時間內使風扇停止運轉，而此情況也曾多次發生。因此初期的Sleeve軸承有高溫壽命較短的缺點。

Ball Bearing在這點的高溫信賴性則較高，能完全滿足筆記型電腦所要求的壽命規格，於1997年時便可看出筆記型電腦用的風扇軸承有採用Ball Bearing的傾向。然而，Ball Bearing亦有其弱點，如下圖所示，風扇噪音的長時間變化，在經過數千小時後噪音等級便會增大的問題也變得相當明顯。

而關於摔落實驗後的噪音等級也是問題，僅於30cm高度做一次落下測試便會使噪音增大，由此得知Ball Bearing有此一不耐衝擊的噪音特性。而此問題，對於經常被移動使用且受衝擊機會多的筆記型電腦用的風扇軸承而言，卻成了相當大的障礙。

由此背景看來，如前所述初期的Sleeve型高溫壽命課題以及Ball Bearing噪音特性兩大課題之改善，對於風扇軸承的開發乃當務之急。
1999年採用解決這些課題的新型軸承的風扇在台灣上市，另外Sleeve型軸承也因含油率提升或減低潤滑油的高溫蒸發率，加上高溫酸化安定性的改善，成功地開發了高溫長壽命的MagLev(磁浮)軸承，是藉由磁氣的吸引力使其取得平衡使軸承負荷減低，如下圖所示。

依此原理製作的風扇，噪音幾乎沒有增加，同時於60℃環境溫度下持有MTBF3萬小時壽命的能力，於今日更是廣泛地被採用於筆記型電腦。現在更以達到超壽命為目標，也開發有可能達到在60℃環境溫度下持有MTBF 5萬小時壽命的SLMS(Super Long life MagLev System)，被期待成為幫LED背光散熱或LED照明用的風扇長壽命化的新技術。
 

風扇省電力設計的進展軌跡

1995年當散熱風扇第一次被採用於筆記型電腦時，對於CPU發熱量6w的散熱，風扇的消耗電力為0.4w。而至數年前，對於CPU發熱量30w的散熱，風扇的消耗電力為1.5w，對於CPU發熱量增大5倍來看，風扇需求電力增加4倍，幾乎是以比例增加。風扇省電力化的突破關鍵點，則是由於研發出並開始採用三相驅動方式的馬達，相較於在先前採用的單相驅動/雙相驅動方式比較，省電性能大增。如上述對於CPU發熱量30w的散熱，消耗電力只需0.7w，幾乎達到減半。

對於風扇消耗電力敏感的攜帶型電子產品而言，風扇特性的要求不只在於輕薄短小，風扇低消耗電力亦為不可欠缺的因素。研究超小型風扇時亦採用此三相驅動方式，預計近期即將商品化。

結論：被動散熱不足 強制散熱持續擴張應用範圍

中文是以「散熱」一詞來表達冷卻之意。使熱分散最終由電子產品本體的表面放熱於空氣中的方式確實為有效的方法，認為此正意謂無風扇(Fan Less)散熱。

雖然如果考量許多因數，無風扇散熱為大多數IT產品中，最理想的散熱方法，但近年來，以IT產品的高機能化或LED燈在被限定的狹小空間中為例，考量散熱問題時，無風扇模式捉襟見肘，許多專家都認為採用風扇散熱方式，使電子產品內的高溫空氣強制其吸排氣，為唯一的散熱方法的情況，逐漸增加了。故強制散熱會出現在許多原本只使用被動散熱的IT產品中，換言之，強制散熱應會持續擴張其應用範圍。

筆者簡介
宮原雅晴先生為日本九州大學機械工學科碩士畢業。任職於Panasonic 30年之後，於2005年進入建準電機工業，目前擔任技術研發中心副總經理職務。任職於Panasonic時，曾於1995年開發了世界上最早使用於筆記型電腦的散熱風扇，當時被Toshiba採用。之後仍不斷致力於小型電子產品的冷卻技術開發，而目前特別專注於LED散熱新技術的開發。
參考文獻
(1)宮原：小型電子產品的風扇冷卻技術。設計工學Vo1.37，No.10 2002年。
(2)宮原、深野：小型電子產品的風扇冷卻技術。Turbomachinery第34回第3號，2006年。