熱設(shè)計(jì)連載（2）散熱問(wèn)題，方法和主角都在變化

“最近1、2年，產(chǎn)品廠商的努力方向由‘熱對(duì)策’轉(zhuǎn)向了‘熱設(shè)計(jì)’”（散熱部件廠商）。產(chǎn)品廠商之間開(kāi)始區(qū)別使用“熱對(duì)策”和“熱設(shè)計(jì)”這兩個(gè)詞（圖1）。 圖1：由滯后的“熱對(duì)策”向先行的“熱設(shè)計(jì)”轉(zhuǎn)變消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品廠商正在由“熱對(duì)策”向“熱設(shè)計(jì)”轉(zhuǎn)變。與事后對(duì)成品中出現(xiàn)散熱問(wèn)題的部位采取措施的熱對(duì)策不同，熱設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)階段處理有可能出現(xiàn)問(wèn)題的部分。

“熱對(duì)策”是指制造出試制品，實(shí)測(cè)產(chǎn)品內(nèi)部的溫度，發(fā)現(xiàn)散熱方面存在問(wèn)題后，采取措施予以應(yīng)對(duì)。而“熱設(shè)計(jì)”是指在設(shè)計(jì)階段便事先分析產(chǎn)品內(nèi)存在散熱問(wèn)題的部分，事先考慮對(duì)策，然后再進(jìn)行構(gòu)造設(shè)計(jì)。具體做法大多是預(yù)估主要部件的發(fā)熱量，然后根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行熱力學(xué)模擬。如果模擬結(jié)果有問(wèn)題，便修改設(shè)計(jì)后重新模擬進(jìn)行驗(yàn)證。不斷重復(fù)該過(guò)程，直到?jīng)]有問(wèn)題之后，才開(kāi)始試制。這種取代“熱對(duì)策”而先進(jìn)行“熱設(shè)計(jì)”的做法，試圖從設(shè)計(jì)之初就解決散熱問(wèn)題。

隨著對(duì)應(yīng)方法由熱對(duì)策轉(zhuǎn)向熱設(shè)計(jì)，處理散熱問(wèn)題時(shí)各部門(mén)的作用也發(fā)生了巨大變化。過(guò)去考慮熱對(duì)策時(shí)，大多情況下主要由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員負(fù)責(zé)。而熱設(shè)計(jì)時(shí)，不僅是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員，元件、電路、外觀等所有設(shè)計(jì)人員都要參與。各設(shè)計(jì)人員要從產(chǎn)品的整體設(shè)計(jì)出發(fā)，在注意散熱問(wèn)題的基礎(chǔ)上對(duì)所負(fù)責(zé)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。目的是在各設(shè)計(jì)層面上做出有利于放熱的設(shè)計(jì)。其中，最為關(guān)鍵的是電路設(shè)計(jì)人員。

消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品也面臨散熱困難

產(chǎn)品廠商為什么開(kāi)始重視熱設(shè)計(jì)？原因在于很多產(chǎn)品越來(lái)越難以實(shí)現(xiàn)散熱。如果散熱失敗，還會(huì)造成意想不到的事故。

美國(guó)微軟2007年7月宣布，將把該公司制造的“Xbox360”游戲機(jī)的特定故障保質(zhì)期由1年延長(zhǎng)至3年。雖然微軟未公布故障原因，但業(yè)界普遍認(rèn)為散熱是導(dǎo)致故障的原因之一注1）。
注1）當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，電源開(kāi)關(guān)周?chē)?個(gè)LED中，3個(gè)亮紅燈。

本站測(cè)試了Xbox360在CPU和圖形LSI運(yùn)行狀態(tài)下各散熱片的溫度（圖2）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，圖形LSI用散熱片的溫度比CPU用散熱片約高20℃。芯片溫度很可能達(dá)到了100℃。

圖2：散熱不足被懷疑是“Xbox360”的故障原因之一據(jù)認(rèn)為，造成微軟游戲機(jī)“Xbox360”故障的原因之一是圖形處理LSI的散熱。與高53mm×長(zhǎng)80mm×寬40mm的CPU用散熱片相比，圖形LSI用散熱片小，尺寸為高15mm×長(zhǎng)90mm×寬70mm。由于圖形LSI上封裝有DVD裝置，因此不得不減小散熱片厚度，從而使冷卻途徑的截面積減小。

圖形LSI和CPU芯片本身的使用溫度范圍基本相同。產(chǎn)品運(yùn)行時(shí)的使用溫度也相同，這樣圖形LSI的冷卻機(jī)構(gòu)能力不足而導(dǎo)致溫度高于設(shè)想溫度的假設(shè)便能成立。技術(shù)人員推測(cè)的故障原因如下：在產(chǎn)品運(yùn)行和停止的溫度循環(huán)中，圖形LSI及其周?chē)∷⒌装宸磸?fù)膨張和收縮，印刷底板的焊接部分及電鍍連接部分出現(xiàn)龜裂，從而可能導(dǎo)致接觸不良。事故便是這種“狀態(tài)”在產(chǎn)品內(nèi)部不斷加劇的結(jié)果。

還有觀點(diǎn)認(rèn)為，相對(duì)于零部件的發(fā)熱量，冷卻功能這種問(wèn)題，從根本上來(lái)說(shuō)是熱設(shè)計(jì)或熱對(duì)策之前沒(méi)有考慮周全的結(jié)果，出現(xiàn)這種問(wèn)題只能說(shuō)明廠商的技術(shù)太幼稚。相信微軟不會(huì)錯(cuò)誤估算了部件的發(fā)熱量。所以反過(guò)來(lái)講，原以為足夠散熱的設(shè)計(jì)是因某種原因的出現(xiàn)了才導(dǎo)致了散熱不足的結(jié)果。（未完待續(xù)）