1、運用於電源供應器中之多點熱源散熱片最佳化設計研究背景與目的 作作者者：黃黃喻喻鴻鴻(2006-07-29)；推推薦薦：徐徐業業(2006-08-01)。 附附註註：本本文文為為九九十十五五學學元元智智大大學學機機械械工工程程研研究究所所黃黃喻喻鴻鴻碩碩士士文文運運用用於於電電源源供供應應器器中中之之多多點點熱熱源源散散熱熱片片最最佳佳化化設設計計第第一一章章。 第一章 研究背景與目的 1.1 研究背景與目的 隨著網際網的蓬勃發展和多元化的特性，伺服器與個人電腦的需求也逐漸的增加，而提供電腦產品穩定電壓的電源供應器(Power Supply Units)是可或缺的重要元件。電源供應器係用功元件(
2、Power Device)將電源以高頻換方式，由AC電源轉換成所需之DC電源輸出，在轉換過程中，功元件因能損耗而發熱，過熱將導致功元件的性能下甚至損壞。為避免過熱現象發生，通常採取之解決方案包括提高電源轉換效以減少能損耗、低操作電以減少熱能的產生、以及用散熱片以強制對方式進直接散熱。在上述解決方案中，提高電源轉換效需要較高之技術門檻，操作電亦為產品規格無法任意改，因此用散熱片輔以強制對進散熱已為主要之技術手段。圖1-1所示為常之功元件與散熱片結構，由圖中可以看到功晶體除與印刷電板之線作電訊號之接外，亦直接裝置於鋁擠型散熱片上，作為散熱之用。 http:/designer.mech.yzu.ed
3、u.tw/ 1運用於電源供應器中之多點熱源散熱片最佳化設計研究背景與目的 圖1-1. 功元件與散熱片之結構圖 一般使用於電腦或伺服器上之散熱片，依據製程的同大致可區分為8【莊嘉琛，民92】：鋁擠型、鋁壓鑄、改式鋁壓鑄、接合型、可撓性製程、鍛造製程、刨床式製程、以及屬粉末射出成型，各製程之散熱片優缺點如表1-1所示。散熱片所使用之材仍以鋁合及銅合為主，由於鋁合材質具有成本低、加工的特性，使得其於散熱片上之應用相當普遍，於電腦或伺服器之電源供應器使用上之散熱片，即為鋁擠型散熱片。 http:/designer.mech.yzu.edu.tw/ 2運用於電源供應器中之多點熱源散熱片最佳化設計研究背景
4、與目的 表1-1. 一般使用於電腦或伺服器之散熱片優缺點比較表 【莊嘉琛，民92】 散熱片製程 優點 缺點 鋁擠型 成本低、開發期短、適合大生產 細長比低(15)，形單純，散熱效果差鋁壓鑄 可做複雜形，散熱面積大，適合於散熱空間開發成本高、時間長、模具費高，散熱效果較鋁擠型佳，較適合型變化快速之電子產品 改式鋁壓鑄 可插入超薄之銅或鋁鰭片，細長比高，適用同材之接合 產性較差，材間存在有介面阻抗，會影響散熱效果 接合型 細長比高，重輕、散熱面積大，可適用同材之接合 產性及可靠較差，材間存在有介面阻抗之問題 可撓性製程 細長比高、重最輕、散熱面積大，可適用同材之接合 形單純，製程較多，材間存在有介
5、面阻抗 鍛造製程 細長比及材緻密高，可變化形 模具費及設備費高，需二次加工 刨床式製程 細長比高、散熱面積大、底座與鰭片一體成型 產性較差、廢多形單純，材會有應集中及斷之問題 屬粉末射出成型 一體成型，適用於高導熱之銅材 原成本高、製程低 鋁擠型散熱片係用高壓使熔融之鋁液透過擠型模具，產生續等截面之初胚，再經過二次加工程序，將初胚裁製成散熱片。雖然鋁擠型散熱片因為製程限制使其深寬比較差、造型較為單調，導致散熱效果其他製程之散熱片，然而在開發成本較低，且可大生產的基之下，仍使鋁擠型散熱片為市場主產品。如圖1-2所示為一常使用於電源供應器上之鋁擠型散熱片產品。 http:/designer.mec
6、h.yzu.edu.tw/ 3運用於電源供應器中之多點熱源散熱片最佳化設計研究背景與目的 http:/designer.mech.yzu.edu.tw/ 4圖1-2. 鋁擠型散熱片 使用於電源供應器之散熱片設計，在考空間與散熱效下，採用多顆功晶體鎖附在一片散熱片上，形成多點熱源之散熱裝置。電源供應器中，功晶體與散熱片之固定方式有別於個人電腦中之CPU散熱片，CPU散熱片是以水平方式貼附在單顆CPU晶片上，而電源供應器中則是散熱片與焊接於電板(PCB)上之功晶體以垂直方式擺置，如圖1-3所示。功晶體位置須依據電佈局決定，通常怱佈局位置與散熱片散熱效果間之關係，由於電佈局決定功晶體的位置，使得散熱
7、片設計受到空間上的限制。 圖1-3. 散熱片與功晶體之鎖附方式 另一方面，工程師在設計散熱片時，通常憑藉著經驗估算散熱片大小，如此往往造成設計徧差，僅造成成本的費，是時間的費。近已有些公司導運用於電源供應器中之多點熱源散熱片最佳化設計研究背景與目的 入CAE工具進熱場分析，以為工程師設計時的考，然而於實務應用上之經驗，CAE的加入使工程師由實體的嘗試錯誤(trial and error)，轉而為用CAE進嘗試錯誤，雖然開發成本與時間均因此減少，卻仍缺乏系統化的設計過程。 本研究之目的即在針對電源供應器中使用之鋁擠型散熱片進設計分析，研究中將用最佳化設計方法，討一多點熱源況下，鋁擠型散熱片之最佳
8、化設計，並用最佳化設計中之設計變敏分析(sensitivity analysis)與設計之分析(parametric analysis)，建運用於電源供應器之鋁擠型散熱片之設計準則，以期提供設計者直接有效的設計建議。 1.2 文架構 本文第二章進電源供應器之熱阻分析，討發熱功晶體、散熱鰭片、及空氣之間的熱傳導與熱對熱阻，建散熱片上功晶體溫方程式。針對熱源位置影響之討，本文中引進因熱源位置導致之擴散熱阻修正係，並將之運用於多點熱源況下，藉由比較熱阻方程式與模擬分析結果之差，提出晶體溫修正係，建多點熱源下之功晶體溫方程式，以為後續散熱片最佳化設計之基礎。 第三章中運用第二章所建之功晶體方程式，進多
9、點熱源散熱片之最佳化設計。本章中探討多點熱源散熱片在設計上所需考慮的要素，提出改善散熱片散熱效能的方法，並以設計者的角，從散熱片設計上可變動的項目轉換為設計變與設計，定義設計之值及設計變之範圍，再由設計需求導引出目標函與限制條件，加入散熱片的製程條件限制及散熱片與功晶體的組裝限制後，出多點熱源散熱片設計的學模型。由於最佳化學模型具有一非線性方程式，並含有一整變，因此本文中，採用混合整非線性規劃法(MINLP, Mixed Integer Nonlinear Programming)求解最佳解。 本文第四章中，針對最佳化設計結果，進設計變之敏分析與設計之分析。敏分析部分，主要針對散熱片之尺寸進討，以瞭解最佳解是否強健。設計則針對採用同風扇設計、置換絕緣片、以及運用同封裝面積下，將衍生之晶體溫變化做討。 最後於第五章中進本文之結與未展望，對於本研究所探討之多熱源散熱片最佳化設計，本章中整合歸納出多熱源散熱片之設計準則與重點，以供設計人員考，並對未研究方向之期望作一具體建議。 http:/designer.mech.yzu.edu.tw/ 5運用於電源供應器中之多點熱源散熱片最佳化設計研究背景與目的 考文獻 莊嘉琛、國，“電腦用高效能可撓性散熱片節能研究，民92，經濟部能源局能源技術節約報導，第50期。 http:/designer.mech.yzu.edu.tw/ 6
