嵌入式板件熱管理解決方案

嵌入式平台的邊緣處理能力提高、效能增強，再加上小化，都會促使功耗和發熱增加，進而產生熱點。熱應力會大幅降低嵌入式系統的效能，甚至導致整個系統故障。長期暴露在過熱環境中，也會縮短電子元件的使用壽命。

瞭解熱管理技術對於維持裝置的最佳運作狀態至關重要。電子產業的進步推動了對熱管理技術創新的需求，進而強化系統的可靠性和效能。根據 Market Research Future 的資料，全球的熱管理市場預計在 2030 年達到 203 億美元的規模，也就是在 2022 年至 2030 年，會以 8% 的年複合成長率 (CAGR) 增長。

運作過程中會發熱，因此散熱配件對各種電子產品 (不僅僅是 FPGA) 來說相當關鍵。為了維持這些裝置的效能、可靠性和使用壽命，適當的熱管理有所必要。散熱配件對各種產品來說都很重要，可由以下推論得知：

1.微處理器與 CPU：

• 發熱：CPU，尤其是高效能電腦和伺服器的 CPU，因為執行密集運算任務，因此會產生龐大熱量。
• 散熱配件：散熱片、導熱膏和散熱風扇，對於散熱、預防熱節流以及確保穩定效能來說相當重要。

2.圖形處理單元 (GPU)：

• 高功耗：GPU，尤其是在進行電玩、AI 和資料處理時，會消耗許多電力並產生龐大熱量。
• 熱管理：必須有大型散熱片、風扇等冷卻解決方案，有時甚至還需要液冷，以維持最佳溫度、避免過熱，及保持高效能。

3.電源供應器單元 (PSU)：

• 散熱：電源供應器將 AC 電源轉換成 DC 電源的過程中，會有大量能量以熱能的形式損失。
• 冷卻解決方案：風扇的主動式冷卻和散熱片的被動式冷卻，對於維持電源供應器的效率和使用壽命相當重要。

4.記憶體模組 (RAM、DRAM)：

• 操作穩定性：高速記憶體模組可能會發熱，如果不加以檢查，可能會導致資料毀損或系統不穩定。
• 散熱配件：均熱片和冷卻風扇可用於散熱，以及維持資料完整性和速度。

5.網路設備 (路由器、交換機)：

• 連續運作：網路設備通常要全天候運作，因此會有持續發熱的情況。
• 冷卻要求：為確保效能一致並預防故障，散熱片、風扇皆不可少，有時還需要環境冷卻 (例如伺服器機房中的空調)。

6.嵌入式系統：

• 緊湊設計挑戰：嵌入式系統通常位於受限環境中，因此散熱不易。
• 散熱解決方案：在這些緊湊系統中，會使用客製化散熱片、導熱墊以及具有冷卻功能的特製外殼來控管熱量，以便確保工業和汽車應用的可靠性。

7.行動裝置 (智慧型手機、平板電腦)：

• 散熱限制：行動裝置的設計緊湊，散熱空間有限，但又要使用會發熱的高效能處理器和電池。
• 創新的冷卻：熱節流、石墨均熱片和先進材料等技術，可在不增加裝置尺寸的情況下控管熱量。

8.電池與儲能：

• 安全性和使用壽命：電池，尤其是電動車和大容量儲能系統中的電池，在充電和放電過程中會發熱。
• 熱管理：冷卻系統 (包括液冷、熱管理系統和耐熱材料)，對於預防過熱來說相當重要，以免過熱導致電池續航力縮短，甚至發生危險情況。

9.電信設備：

• 連續熱負載：基地台、天線和其他電信設備在操作過程中會持續發熱。
• 冷卻必要條件：散熱片、風扇和溫控外殼，對於維持設備的可靠性和服務可用性來說相當重要。

10.高效能運算 (HPC) 系統：

• 極端熱輸出：用於科學研究、AI 和大數據分析的 HPC 系統，都有密集的運算叢集，會產生龐大熱量。
• 進階冷卻：液體冷卻、浸沒式冷卻和精密的空器冷卻系統，對於控管熱量及確保不間斷的高速運作來說相當關鍵。

散熱配件是各種電子產品 (不僅僅是 FPGA) 不可或缺的要件。這些配件對於散熱、預防過熱以及確保裝置可靠且高效運作方面，都有關鍵作用。如果沒有適當的熱管理，電子產品可能會發生效能與穩定性降低，以及潛在的災難性故障。散熱解決方案的選擇取決於產品的具體要求，包括功耗、尺寸和操作環境。

嵌入式解決方案中常見的散熱技術

系統越來越小且威力更強大，因此散熱技術比以往更加重要。設計人員有多種方法可加以運用，以對元件和 PCB 進行散熱，常見的機制包括：

散熱片和冷卻風扇 - 散熱片是具有大型表面的導熱金屬零件，可當作被動的熱交換器，透過傳導作用，將熱量散發到周遭空氣中。在散熱片上加裝冷卻風扇，有助於更快且更有效地散熱。這種組合是嵌入式系統冷卻最常用且最有效的方法之一，尤其是在氣流有限的環境中。

圖 1：此散熱片搭配冷卻風扇，有助於對安裝的元件進行散熱。(圖片來源：iWave)

熱導管整合 - 熱導管是高溫應用中所使用的冷卻裝置。典型的熱導管中含有流體，可吸收熱量、蒸發並且沿著管道流動。在冷凝器端，蒸氣會轉換回液態，然後重複此循環。熱導管的效率高，可以遠距離傳遞熱量，非常適合小型的高密度電子裝置。

均熱片 - 均熱片有一個大型扁平表面，通常是直接壓在另一個大型扁平表面上。均熱片可將熱量從較小的元件傳遞到較大的金屬表面，非常適合那些必須承受極端衝擊和振動，或裝在密封容器內的裝置。可提供穩健的解決方案，對堅固耐用的密封嵌入式系統進行熱管理。

熱電冷卻器 (TEC) - 熱電冷卻器非常適合用於必須維持恆定元件溫度的系統。高功率耗散的處理器通常會利用 TEC、空冷和液冷的組合，以突破傳統空氣冷卻的限制。TEC 可以將元件冷卻至低於環境溫度，以便精準控制溫度。

熱通孔 - 熱通孔陣列可整合在銅填充的區域上，並放置於靠近電源的位置。在此作法中，熱量會從元件流向銅區，然後透過氣流從通孔中散去。熱通孔通常用於電源管理模組及含有導熱墊的元件中，進而增強 PCB 的熱傳導率。

液體冷卻系統 - 液體的熱傳遞速度比空氣快四倍，因此可在較小型的解決方案中，達到更高的散熱效能。液體冷卻系統包括冷板或冷卻外殼 (與熱源連接)、幫浦或壓縮機 (用於液體循環)，以及熱交換器 (安全地吸熱和散熱)。液體冷卻對於高功率應用和密集封裝的電子組件尤其有效。

iWave 的散熱解決方案

iWave 的機械工程師專業團隊會根據產品的特定散熱特性，來設計散熱片、風扇散熱片和外殼。團隊會使用熱模擬軟體，幫助工程師確定最合適的冷卻方法，並了解相關的熱參數，最終提升產品的整體可靠性。

熱流模式分析

iWave 工程師會使用 Ansys Icepak 等工具，來模擬裝置內的熱流模式。此分析有助於識別熱點，以便達到最佳化的冷卻元件放置。瞭解熱量如何流通系統，工程師就可設計出更有效的熱管理解決方案。

客製化散熱片設計

iWave 可設計客製化的散熱片，以滿足每個專案的獨特需求。設計流程包括根據表面積和材料特性，計算理論散熱值。然後，工程師會使用模擬軟體來測試這些設計，以確保在各種操作條件下，皆可提供充分冷卻。

主動式裝置的冷卻方法

在設計階段中也會考量主動冷卻方法，例如 TEC 和冷卻風扇的整合。iWave 會評估各種方法的優點和限制，為每種應用選擇最高效且最具成本效益的解決方案。

適合所有尺寸的散熱解決方案

iWave 提供適合所有尺寸的散熱解決方案，包括 OSM、SMARC、Qseven 和 SODIMM。這些解決方案採用鋁合金 AL6063，因為其具有優異的材料特性。鋁是一種優秀的導體，本身無毒、可回收且非常耐用，因此非常適合對元件進行熱傳遞。

透過內部散熱解決方案，產品設計人員就可消除工程延宕、現場故障和產品迭代，進而降低實作成本。減少裝置散出的熱量，就可提高效率和可靠性，確保產品使用壽命。

結論

嵌入式系統日益複雜，且功率密度不斷提高，因此需要進階的熱管理技術。從散熱片和冷卻風扇，到液體冷卻系統和熱通孔，設計人員可藉由各種散熱方法，確保裝置發揮最佳效能和可靠性。iWave 等公司可針對產品的特定需求，提供專門的散熱解決方案，同時利用先進的模擬工具和客製化設計，來應對現代化電子產品的挑戰。

如需深入了解 iWave 的散熱解決方案，請直接與其洽詢。