熱管理簡介

電子系統變得日益密集，溫度也越來越高，這意味著許多系統將需要採用某種方法來管理這些熱量。雖然並非每個設計都必須開發熱管理解決方案，但仍必須對熱量產生、熱量移動與熱量去除的方式有基本的瞭解，才能避免高溫損壞重要的元件。最後，在設計初期就必須將熱管理納入考量，而不是在最終設計中當作補救解決方案。

熱管理基本概論

隨著電子系統現今面臨更多的需求，理論上規定三種能使元件冷卻的熱傳遞方式：傳導、對流和輻射。

傳導或許是最有效的能量傳遞方法，透過兩個物體的實體接觸來傳遞熱能，較冷物體會自然帶走較熱物體的能量。一般來說，這種方法要求以最小的表面積，移走最大的能量。

圖 1：實際傳導。(圖片來源：Same Sky)

第二種方法是對流，透過空氣移動重新分配熱能。較冷空氣通過較熱物體時，會汲取物體的熱量，並在持續通過裝置時，將熱量帶走。此方法能以空氣自然對流或風扇強制對流的方式達成。

圖 2：實際對流。(圖片來源：Same Sky)

第三種方法是輻射，能量以電磁波的形式放射。相對而言，這種方法較為無效，大多數熱計算都予以忽略，因為此方法通常只適用於真空應用，其中無法選擇傳導和對流方法。原則上，輻射就是透過熱粒振動時產生的電磁波來傳遞熱量。

圖 3：實際輻射。(圖片來源：Same Sky)

雖然上述的三個基本熱概念均未提及熱阻，但也要有所瞭解，這一點很重要。熱阻又稱為阻抗，可量化物體間的傳熱效力，並廣泛用於熱管理解決方案的設計中。簡單來說，熱阻越低，能量傳遞效果越好。利用熱阻和特定的環境溫度，即可確切計算出在達到某些溫度之前的耗散功率。

熱管理元件

電子系統有三種常用的冷卻方法：散熱片、風扇和帕爾帖模組。每個方法雖能單獨使用，但整合在一起時甚至效果更佳。

散熱片有很多形狀和尺寸。散熱片可用於提高對流冷卻的有效性，其能減小所連接裝置和冷卻介質之間的熱阻；冷卻介質通常是空氣。這是透過增加對流表面積達成的，而且散熱片製材的熱阻，比典型的半導體還要低。散熱片的成本很低，也幾乎絕不會失效或磨損，但確實容易增加其冷卻的電子系統體積。作為被動元件，散熱片常搭配風扇使用，更有效地帶走系統的逸散熱能。風扇或鼓風機會讓散熱片上方穩定流過新鮮的冷空氣，使其和冷卻空氣之間維持溫差，以確保持續高效率地傳遞熱能。

風扇和鼓風機有非常多種形狀和尺寸，及許多不同的功率選擇。重要規格是所能產生的空氣氣流，單位一般為 CFM。某些風扇和鼓風機具有控制項，以便能根據目前的冷卻需求來調整速度，作為回授型控制系統的一部分。風扇有助於改善冷卻，但設計人員必須知道，風扇需要電源，有時還需要控制電路。相較於散熱片，風扇也會發出噪音，移動式零件也會使其更容易失效。

帕爾帖裝置是一種半導體元件，利用帕爾帖效應將模組一側的熱量傳遞至另一側。帕爾帖裝置必須獲得能量才能移動熱能，這其實會為系統增熱，因此最好搭配散熱片及風扇使用。不過，帕爾帖模組能達到精準的溫度調節，並能將裝置冷卻至環境溫度以下。和散熱片一樣，這種模組沒有移動式零件，因此本身具有彈性且穩健，但可能也必須搭配風扇、散熱片和控制電路，因此會增加成本及複雜度。基於這些理由，帕爾帖模組通常保留給最高要求的應用，例如從密集性電子系統的中心擷取熱能。

計算熱要求

無論最終設計要求為何，在為電子系統設計有效的冷卻解決方案時，可以採用一些廣為接受的方法。為了協助說明工程師可能是如何設法建立整合式熱管理解決方案，這裡有個假設性問題和解決方案：

此範例會使用一個採用 10 mm x 15 mm 封裝的裝置，其在穩態下會產生 3.3 W 熱量。此裝置的工作環境溫度為 50°C，理想工作溫度為 40°C。系統任何部分都不應超過 100°C。

圖 4：來自 CP2088-219 規格書的帕爾帖模組效能圖 (圖片來源：Same Sky)

這些規格意味著，需要使用帕爾帖模組，讓裝置的溫度降到環境溫度以下。Same Sky 提供 CP2088-219，這是一種小型帕爾帖模組，能移除 3.3 W 熱能，並讓裝置降溫至環境溫度下 10°C。帕爾帖模組以 SF600G 連接至此裝置，SF600G 是一種熱介面材料 (TIM)，能降低裝置和冷卻器之間的熱阻。CP2088-219 規格書 (圖 4) 顯示出，帕爾帖模組在 2.5 V 下需要 1.2 A 電量，因此其運作會為系統增加 3 W 熱能。

為了從帕爾帖模組移除共 6.3 W 熱能，其他側連接有散熱片 (HSS-B20-NP-12)，也是使用 SF600G 熱介面材料作為介面。此熱介面材料面積為 8.8 mm x 8.8 mm，熱阻稍微低於 1.08°C/W。

散熱片的熱阻為 3.47°C/W，假設其上方的空氣氣流量為 200 LFM。

這使得熱介面材料與散熱片結合下的總熱阻變成 4.55°C/W。

要固定提供 200 LFM 空氣氣流，可以使用 CFM-25B 系列風扇。

此結構透過熱介面材料，將待冷卻的裝置連接至帕爾帖模組。帕爾帖模組的上方表面，透過另一個熱介面材料連接至散熱片，而整個組合件處於 50°C 空氣 200 LFM 之內。

圖 5：此熱管理解決方案使用帕爾帖裝置、散熱片、兩個熱介面材料層，以及風扇 (圖片來源：Same Sky)

使用此資料，可計算出裝置的穩態溫度。帕爾帖模組會讓冷溫側維持 40°C，但會為組合件增加 3.3 W 熱量。散熱片必須將 6.3 W 熱量逸散到 50°C 的空氣氣流環境，帕爾帖模組和環境空氣之間的總熱阻為 4.55°C/W。當將 6.3 W 乘以 4.55°C/W 時，可決定溫度比環境溫度增加多少，在此狀況中為 28.67°C 或 78.67°C (總計)。這遠低於要求的 100°C，因此是能滿足系統需求的熱管理解決方案。

結論

在冷藏、HVAC、3D 列印和除濕機等消費性應用中，熱管理已成為必要的條件。此外，熱管理也用於科學及工業應用，例如 DNA 合成熱循環儀，及高準確度雷射。散熱片、風扇和帕爾帖模組，能協助確保複雜的電子系統保持在熱設計限度之內。Same Sky 提供一系列熱管理元件，用以簡化這個關鍵的產品選擇過程。