什麼是電子散熱管理？
電子散熱管理是著重於有效管理電子裝置和系統中熱的一個工程領域。它利用熱傳導、對流、輻射和熱力學的物理特性，將元件溫度保持在可接受的操作範圍內。若未加以控制，溫度會上升，元件效能會下降，且部分零件可能會發生故障。此外，元件與封裝之間的連接也可能會減弱並中斷。每當您聽到筆記型電腦風扇吹動發出的聲音，或感覺到手機背面發熱，就是在體驗散熱管理。
電子裝置透過電流流經電路和電子元件來運作。當電流流經電路時，電線、PCB 走線、連接、晶片封裝和元件都會產生熱。若未有效管理熱，電子裝置每個區域的溫度都會攀升，進而改變材料屬性。這些屬性改變可能會造成多個問題，其中包括電阻提高、機械強度降低、訊號失真，並最終導致產品效能降低及不佳的使用者體驗。材料也會在加熱時膨脹並在冷卻時收縮，對元件產生壓力，進而可能會導致元件或系統發生機械故障、疲勞和早期老化。
從手機和電動車，到冷卻衛星上的 CMOS 相機，散熱管理在現今電子應用的整體效能和穩健性上扮演著重要角色。這就是全面瞭解可用選項至關重要的原因。它的應用已成為產品開發的關鍵部分，應納入設計程序的每個步驟中。
電子外殼內部的溫度分佈
電子散熱管理系統的不同類型
在我們討論管理多餘熱量的細節之前，應提及電子系統的規模在工程師可用來管理熱的工具中發揮著相當重要的作用。半導體晶片封裝和印刷電路板 (PCB) 在熱產生和散熱方面面臨著不同挑戰。同樣地，具有多個 PCB 和其他熱源 (例如電源供應器) 的外殼，也需要與機架或整個資料中心等組件不同的解決方案。分類包含晶片層級、元件層級、電路板層級和系統層級的散熱管理解決方案。
另一個重要區別在於被動和主動散熱管理。不使用電源的電子冷卻方法稱為被動冷卻解決方案。主動冷卻解決方案會使用電源 (通常為電力) 來提高對流流體的速度，或者為熱力或熱電裝置供電。被動冷卻通常為首選，因為它不使用任何能源、沒有任何移動零件，且更具成本效益。由於被動冷卻管理計畫永遠無法將裝置冷卻至低於環境溫度，或在被動系統沒有所需散熱效能時，設計會包含主動系統。
以下列出現今使用的最常見有效散熱管理方法，分為被動和主動解決方案。
被動散熱管理方法
熱介面材料 (TIM)：元件之間和周圍的材料，用來將這些元件與高溫隔絕，或將熱傳遞出熱源。在灌封和封裝中，各種壓克力、環氧樹脂、矽和乙酯樹脂會塗覆或完全包覆元件、組件或整個裝置。元件之間的其他材料類型，包括黏合劑、凝膠和潤滑脂，可在元件之間提供高熱導率。
散熱片：將熱從熱點傳遞至較冷位置或其他散熱管理解決方案的物體。半導體封裝、PCB 或電子外殼的幾何與材料會將熱能從熱點移出。在封裝和電路板層級，會使用球柵陣列、電線、通孔和接地面。在外殼中，會透過緊固件和楔形鎖，將來自電路板和電力電子的熱直接傳遞至外殼或其他熱管理裝置。
自由對流：最常見且符合成本效益的冷卻機制是高溫物體周圍空氣的自然對流。由於熱空氣會因浮力而上升，因此熱物體的熱能會移入空氣中，然後向上移出零件，進而吸入較冷的空氣來取代暖空氣。雖然空氣是自由對流中最常見的流體，但在要求更高的應用中，會使用其他氣體和液體。
散熱器：連接至熱源的物體，且可將熱從來源物體中導出，然後透過對流熱傳遞將熱分散至流體。散熱器的設計能夠將對流流體可從中吸收熱的表面積數量最大化。散熱器最常用於 CPU、電力電子元件和雷射等熱源上。
熱管：使用揮發性材料中的相變藉由從熱源吸收熱能的一種裝置。能量會將液體轉換為蒸氣，然後蒸氣會沿著熱管傳播至另一端，此時蒸氣會冷凝並回到熱端以重複循環。
紅外線散熱器：一個大型的平金屬板，可使用紅外線輻射將熱能從板中傳遞出去。設計包含在沒有方法以對流或傳導方式將熱傳遞出系統的應用中使用的散熱器，通常是在太空中。
主動散熱管理方法
強制對流和強制空氣冷卻：使用風扇或鼓風機在元件或散熱器上產生氣流的供電裝置。較高的空氣速度，會增加對流熱傳遞，並因此從物體中吸收更多的熱。
電子外殼內部的對流熱傳遞
液體冷卻：液體流經熱源來吸收熱並將熱從來源中移出以進行去除的一種散熱管理方法。液體冷卻通常會在液體回到熱源之前，使用強制對流或熱交換器 (例如散熱器) 對其進行冷卻。高效能電腦以及電池系統、電動機和電動車都是使用液體冷卻的常見範例。
噴射衝擊冷卻：將流體透過噴嘴噴射到熱源上的一種高效率冷卻解決方案。在衝擊表面上，更高的速度、紊流以及有時發生的汽化現象，會顯著增加從物體到流體的熱能傳遞。
噴霧冷卻：與噴射衝擊冷卻類似的一種方法，但不會噴射流體，而是會將冷卻劑霧化為會在撞擊熱源時汽化的小液滴。此相變吸收的能量顯著高於對流。
冷凍：蒸氣壓縮熱力循環會使用壓縮、冷凝、膨脹和相變來吸收來源中的熱。當環境溫度遠高於電子的所需操作溫度時，此方法特別有用。資料中心是使用冷凍來冷卻自由對流、強制對流和液體冷卻系統工作流體的常見範例。
電阻加熱：大多數散熱管理方法的設計都是為了去除電子系統或元件中的熱。但是，在某些應用中，裝置在極度寒冷的環境下操作，工程師需要在設計中包含電阻加熱器，才能將溫度升高到可接受的操作範圍內。電阻加熱器在太空電子、一些汽車電子，以及各種在極端環境中操作的物聯網 (IoT) 應用中很常見。
熱電冷卻：使用貝爾蒂效應將電能轉換為熱能的一種固態裝置。電流通過兩種不同的半導體材料，導致一側的溫度上升，另一側的溫度下降。此較低溫度的一側可直接連接至需要冷卻的電子元件。
將散熱管理設計到電子系統中的過程
從小型微晶片到龐大資料中心，設計電子系統的工程師必須探索系統的熱行為，然後選擇符合系統散熱效能標準、符合成本效益，且不會造成系統電氣或機械需求問題的散熱管理解決方案。
在一般情況下，應將散熱管理的設計整合到整體產品設計程序中，而在特別情況下，應將其整合到模擬導向的設計程序中。以下技術可讓開發團隊瞭解應用、快速評估取捨，並最佳化解決方案。
元件特性分析
有效的散熱管理解決方案從瞭解進入系統的元件散熱性能開始。設計團隊應從收集系統中每個電子和機械元件的幾何、材料屬性、熱產生、熱容量、標準操作條件以及可接受操作溫度等技術資訊開始。
這些值可從供應商處取得，或者您可能必須進行熱特性分析測試。為了估計散熱，電氣工程師通常會根據在元件資料表中找到的電氣行為來執行電路模型。也可以使用模擬來判斷元件和互連中的容許熱應變，或描述元件的組件熱行為特性。
環境評估
團隊在瞭解電子系統的內部情況後，需要瞭解系統將操作的環境。
消費性電子的散熱冷卻選項，在本質上與航空電子設備的可用散熱管理選項不同。
避免智慧型手機過熱受限於外殼內部空間，而排熱的唯一途徑是將熱排放到裝置周圍的空氣中。戰鬥機的航空電子設備封裝具有高壓、冷卻的空氣，可吹入外殼內。工業 IoT 裝置可能無法接觸到較冷的環境溫度、冷氣或水。該應用的最佳解決方案可能是內建的熱電冷卻器。同樣地，特定產業中的標準和法規也可能會決定可以使用的散熱管理方法。
散熱模擬
各式各樣的選項，以及競爭需求之間的取捨，使模擬成為開發散熱管理解決方案的完美工具。
在半導體晶片封裝層級，設計人員可以迭代封裝方法、散熱焊料固定配件和散熱通孔的位置，以及接地面的厚度。
在粒徑譜的另一端，資料中心在整個樓層的機架內部和周圍的氣流可以使用計算流體動力學 (CFD) 建模及最佳化。
Ansys Icepak® 軟體是專為元件、封裝、電路板和外殼層級電子冷卻設計之 CFD 解決方案的最佳範例。此軟體可讓工程師直接匯入設計，並快速建模散熱管理解決方案。在晶片層級，工程師依靠 Ansys Redhawk-SC Electrothermal™軟體作為 2.5D 和 3D-IC 系統的簽核解決方案。Redhawk-SC Electrothermal 軟體與 Icepak 軟體相連，可實現系統感知晶片設計。
工程師需要管理的另一個熱源是透過在電子應用中使用電磁產生的熱。高功率天線等高頻率應用會產生熱，因為電磁波行經介質時會產生損失。Ansys HFSS™ 軟體等工具可以預測所產生熱的量，然後將其作為邊界條件應用於所用熱模擬上，以最佳化整體電子組件的散熱管理。
同樣地，像是電動機、電源供應器，以及消費性電子 (例如手機、智慧型手錶和 VR 頭戴式裝置) 的無線充電等低頻率應用也會產生熱。Ansys Maxwell® 軟體可在模擬電子散熱管理解決方案時，為這些損失建模並為熱源提供準確的值。
在透過模擬或測試描述元件和組件的設計特性後，可在系統層級中將其表示為降階模型 (ROM)，且可在 Ansys ModelCenter® 軟體等工具中探索及最佳化整個散熱系統。然後工程師可以進行取捨研究，以決定適用於多個使用案例的最佳散熱管理方法。
冷卻方法選擇
在瞭解內部配置和外部環境，並使用熱模擬為元件和系統建模後，團隊可以開始選擇正確冷卻方法的迭代程序，進而對許多不同選項進行虛擬評估。
電子散熱管理的未來
最近人工智慧 (AI) 的蓬勃發展，是說明看似無關的技術進步將如何影響散熱管理未來的一個最佳範例。大型語言模型 (LLM) 使用許多 GPU，在提供適用於大規模資料中心的冷卻技術時，產生散熱管理方面的問題。
隨著數位世界的擴展和成長，對高功率和高速電子的需求將持續推動散熱管理的創新。有鑑於此趨勢，將尋求更有效率的冷凍解決方案、噴射冷卻最佳化、更有效的熱電裝置，以及像浸漬冷卻等先進冷卻策略。
在高效能運算應用將推動解決方案向一個方向發展時，元件和系統的持續小型化將推動行業向其他方向發展。一個令人興奮的新研究領域是散熱電晶體。這些電晶體可以根據需要控制熱流動，進而可能會將冷卻導向至所需位置，而不是冷卻整個晶片。
散熱管理最有效、最有影響力的改善，是模擬能力和效率的不斷提升。這類軟體將整合 AI、改善其與設計系統的整合、加速使用者生產力，並進一步耦合物理學，與此同時，充分利用由使用帶來的提升的運算能力。