热设计连载(2)--愈发严峻的散热问题,方法和主角都在变化

“最近1、2年,产品厂商的努力方向由‘热对策’转向了‘热设计’”(散热部件厂商)。产品厂商之间开始区别使用“热对策”和“热设计”这两个词(图1)。 图1:由滞后的“热对策”向先行的“热设计”转变消费类产品厂商正在由“热对策”向“热设计”转变。与事后对成品中出现散热问题的部位采取措施的热对策不同,热设计在设计阶段处理有可能出现问题的部分。

由滞后的“热对策”向先行的“热设计”转变
“热对策”是指制造出试制品,实测产品内部的温度,发现散热方面存在问题后,采取措施予以应对。而“热设计”是指在设计阶段便事先分析产品内存在散热问题的部分,事先考虑对策,然后再进行构造设计。具体做法大多是预估主要部件的发热量,然后根据设计数据进行热力学模拟。如果模拟结果有问题,便修改设计后重新模拟进行验证。不断重复该过程,直到没有问题之后,才开始试制。这种取代“热对策”而先进行“热设计”的做法,试图从设计之初就解决散热问题。

  随着对应方法由热对策转向热设计,处理散热问题时各部门的作用也发生了巨大变化。过去考虑热对策时,大多情况下主要由结构设计人员负责。而热设计时,不仅是结构设计人员,元件、电路、外观等所有设计人员都要参与。各设计人员要从产品的整体设计出发,在注意散热问题的基础上对所负责部分进行设计。目的是在各设计层面上做出有利于放热的设计。其中,最为关键的是电路设计人员。

消费类产品也面临散热困难

  产品厂商为什么开始重视热设计?原因在于很多产品越来越难以实现散热。如果散热失败,还会造成意想不到的事故。

  美国微软2007年7月宣布,将把该公司制造的“Xbox360”游戏机的特定故障保质期由1年延长至3年。虽然微软未公布故障原因,但业界普遍认为散热是导致故障的原因之一注1)。
注1)当出现故障时,电源开关周围的4个LED中,3个亮红灯。

  本站测试了Xbox360在CPU和图形LSI运行状态下各散热片的温度(图2)。结果发现,图形LSI用散热片的温度比CPU用散热片约高20℃。芯片温度很可能达到了100℃。
散热不足被怀疑是“Xbox360”的故障原因之一
图2:散热不足被怀疑是“Xbox360”的故障原因之一据认为,造成微软游戏机“Xbox360”故障的原因之一是图形处理LSI的散热。与高53mm×长80mm×宽40mm的CPU用散热片相比,图形LSI用散热片小,尺寸为高15mm×长90mm×宽70mm。由于图形LSI上封装有DVD装置,因此不得不减小散热片厚度,从而使冷却途径的截面积减小。

  图形LSI和CPU芯片本身的使用温度范围基本相同。产品运行时的使用温度也相同,这样图形LSI的冷却机构能力不足而导致温度高于设想温度的假设便能成立。技术人员推测的故障原因如下:在产品运行和停止的温度循环中,图形LSI及其周围印刷底板反复膨张和收缩,印刷底板的焊接部分及电镀连接部分出现龟裂,从而可能导致接触不良。事故便是这种“状态”在产品内部不断加剧的结果。

  还有观点认为,相对于零部件的发热量,冷却功能这种问题,从根本上来说是热设计或热对策之前没有考虑周全的结果,出现这种问题只能说明厂商的技术太幼稚。相信微软不会错误估算了部件的发热量。所以反过来讲,原以为足够散热的设计是因某种原因的出现了才导致了散热不足的结果。(未完待续)

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