擺脫散熱片上的散熱膏

我從事鋁散熱片的散熱膏塗抹工作已有 50 年左右了。我第一次刷散熱膏是在 1970 年,當時我幫母親組裝一台 Heathkit® 微波爐。這台微波爐的磁控管電源供應器有一個超大型 12,000 V、1 A 二極體模組,我必須將散熱膏塗抹在該模組的底部,然後再用螺栓將其固定在微波爐厚重的金屬底盤上。在那個年代,你不僅要會維修微波爐,還要使用套件包來組裝這些設備,畢竟這麼做比較省錢。Heathkit 微波爐當時的售價是 399.95 美元,預先組裝好的微波爐價格更貴。

微波爐套件的包裝箱又大又重 (97 磅),當時最好的辦法似乎就是從肯塔基州的路易維爾開車到密西根州的本頓港,然後從 Heathkit 的工廠,把微波爐放進媽媽的 1967 年款龐帝克 (Pontiac) Catalina 旅行車內,隔天再開回家。我那時剛拿到駕照,在此考量下,上述方法似乎更加可行了。

開車上路!

前面提到的早已是陳年往事。Heathkit 的本頓港工廠及展示間已關閉許久;龐帝克車廠也在 2010 年 10 月 31 日結束營業,不再製造 Catalina 旅行車或類似車款。你也無法再用套件包組裝微波爐,更何況工廠生產的新款微波爐經濟又實惠,你也不想自己動手了吧。

然而,散熱膏還是流傳了下來,儘管使用起來仍然和半個世紀前一樣不方便。這東西又白又稠,似乎可黏在任何東西上,但我們依然在使用,畢竟效果不錯。事實上,個人電腦高功率微處理器的出現,已在不知不覺中,讓散熱膏成為電子元件版圖中的重要元素。市面上充斥著各種新奇高效的散熱膏,名稱採用像「克拉」、「鑽石」及「白銀」等令人目眩神迷的字眼,而電腦遊戲玩家和超頻玩家會不斷地研究探討這些產品,嘗試各種實驗,好讓他們的矽晶片以最高時脈速率運作,同時將運作溫度壓到最低。

為甚麼要不厭其煩說這些?為什麼我們還是需要散熱片呢?讓我們從兩個互相壓在一起的金屬表面說起 (圖 1)。一片金屬代表半導體元件,另一片則是散熱片。只要兩個表面相互接觸且平坦,熱能就能順暢地在兩者的機械性介面之間流動,但現實中沒有絕對平坦的表面。就算對兩個表面進行打磨 (超頻玩家通常就是這麼做),還是會有非常微小的空隙。在地球上,這些空隙基本上會充滿空氣;只要有氣隙,熱能就無法順利流動,這是因為空氣本身是熱絕緣體。在外太空,這些空隙則呈真空狀態,而真空本身也是相當好的絕緣體。看看保溫瓶的結構,就是以真空作為熱絕緣體。

圖 1:熱能可在金屬表面的接觸位置順利流動,但若有氣隙就無法順利流動。(圖片來源:Parker Chomerics)

散熱膏在我初次使用之前已問世幾十年了;這類物質可用來填滿物質表面空隙,其導熱能力遠超過空氣。多年來,我發現一兩招塗抹散熱膏的技巧。

首先,戴上乳膠或亞硝酸鹽手套,避免手指沾到散熱膏。若不巧沾到的話,後果並不像某些線上聊天所說,有立即致命的危險。有些散熱膏確實在以前含有鈹的成分,這種物質有相當優異的導熱性,但如今已被視為危險物質。目前一般用途的散熱膏並不含鈹,而且多年以來都是如此。但即便是現在,沾上散熱膏後,仍難以從手指和衣物上去除,所以使用時請戴上手套,而且要謹慎操作。

其次,散熱膏應儘可能塗薄一點。散熱膏是用來填補空隙,不是為了在元件和散熱片之間提供潤滑效果。多數時候,發熱元件的金屬表面與金屬散熱片最好儘可能地緊密接觸。

此外,我還能給你另一個很重要的建議,那就是找找看有沒有更適合的散熱膏替代品。例如 Parker Chomerics 的 CHO-THERM 絕緣墊之類的薄型矽導熱墊,問世時間已有數十年,但由於目前高功率半導體採用的數量大幅提升,散熱管理產品廠商也忙於開發各類新穎的替代品。

若元件需要逸散的熱量少於 25 W,市面上已有 Parker Chomerics 的 THERMATTACH T411T418 等導熱膠帶可用。這些膠帶兩面都塗有黏著劑,因此不但能在元件與散熱片之間提供熱傳導路徑,還能減少或去除對固定件五金的需求。另外,這類產品也不會把手弄髒。

如果散熱片與電子元件相當平整,而且已有良好的熱接觸效果,使用導熱膠帶就是最輕鬆簡單的作法。然而,發熱元件和散熱片之間通常會有較大的空隙。針對這些情況,市面上也提供良好的散熱膏替代品。空隙較大時,可以使用導熱墊。導熱墊的運作方式類似於導熱片或導熱膠帶,但導熱墊的厚度較厚,而且更為服貼,因此適合用於高達幾毫米的空隙。這類導熱墊的例子包括 Parker Chomerics 的 THERM-A-GAP 974976 導熱填隙墊片。

另外,市面上還提供相變材料,例如 Wakefield-VetteulTIMiFlux 導熱片,可用於高功率半導體,如先進的多核心個人電腦及伺服器 CPU 和 GPU。Parker Chomerics 也製造相變材料,品牌名稱為 THERMFLOW,其以薄片形式供貨,並可自行裁切以符合需求。這些材質也提供預先切割的尺寸,可供多種標準半導體封裝使用。只需將適當切割的相變材料夾在半導體元件及散熱片中間,然後用緊固件緊緊夾住即可。

相變材料在室溫下呈現固態,因此使用時不會把手弄髒,但在達到融點後會呈膏狀,能夠填補小的空隙。相變材料結合了散熱膏的高導熱效能以及導熱墊「隨剝隨貼」的易用性。

針對空隙很大的應用,市面上也提供「現場成形」散熱膏,如 Parker Chomerics 的 THERM-A-FORM。這是一種雙劑型矽聚合物,可裝在雙管注射筒內,將兩劑混合。這種散熱膏塗上後會固化。對於一個散熱片必須搭配多個高度不同的發熱元件的應用特別實用。即便元件高度相當一致,散熱片也已針對各個元件進行精密研磨,中間還是可能有待填補的空隙。圖 2 說明「現場成形」散熱膏的使用方式,能讓一個散熱片對多個電子元件進行散熱。

圖 2:散熱膏甚至能填補極大空隙,例如散熱片貼在多個高度不同的電子元件時所產生的空隙。(圖片來源:Parker Chomerics)

最後,導熱介面產品也有最新成員:石墨片,如 Panasonic Electronic Components 的 EYG-S182303DP。這些極薄的石墨聚酯片具有比銅更優異的絕佳導熱性,而且能夠切割以搭配任何應用。石墨片是電腦處理器超頻玩家追求散熱功效的最新法寶,這類產品的導熱能力極為出色,而且能夠重複使用;如果想要在下一代處理器推出時就馬上更換新品,重複使用性就顯得格外重要。

結論

即使散熱膏問世已有幾十年,我們仍然在使用。這個產品的效果一直都很好,但現在市面上還有很多值得研究的散熱控制替代方案。不過,如果打算繼續使用散熱膏,別忘了戴上手套。

關於作者

Image of Steve Leibson Steve Leibson 曾任 HP 和 Cadnetix 的系統工程師、EDN 和 Microprocessor Report 的總編輯,以及 Xilinx 和 Cadence 等的科技部落客,也曾在兩集《The Next Wave with Leonard Nimoy》電視節目中擔任技術專家。33 年來,他協助設計工程師開發更優良、更快速且更可靠的系統。
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