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離子風散熱器力推「無扇製風」
甩開扇葉走出實驗室

【作者: 朱致宜】   2011年01月07日 星期五

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受惠於半導體製程不斷精進,讓終端產品的體積得以不斷縮小。從小筆電到平板電腦、再到智慧型手機,電子產品的各項零組件不約而同開始迷你化,參與瘦身計劃的除了螢幕面板、電池、轉接元件之外,散熱器也列於隊伍之中。然而,傳統的散熱器如風扇等技術,正面臨極大的技術挑戰。


半導體製程乘噴射機離去 散熱器還在原地

散熱真的很重要!根據統計,有55%的電子元件故障都是溫度惹的禍,默默耕耘的散熱器雖然不是鎂光燈的焦點,但是任何電子產品都需要它。傳統散熱器分做主動與被動兩種形式,最常見的主動式散熱器就是我們所熟知的風扇,但是風扇運轉帶來的噪音與灰塵是頗大困擾;而被動式的對流散熱設計也可在LED照明系統,蘋果電腦的Mac Air也透過機身材質設計來幫助散熱。


但這些改進仍然跟不上半導體製程的精進速度,元件縮小堆疊造成熱傳量爆炸性增加,加上消費性電子產品體積縮水,有限的元件空間很難再容下風扇此等龐然大物;傳統散熱技術宛若驅車追趕噴射機一般叫苦連天,無論買方或賣方,都相當盼望市場上能出現克服空間、噪音與功耗的「無扇製風」的散熱系統。


「無扇製風」其實並非嶄新詞彙,但過去都是研究機構中的概念與實驗。不過今年下半年起,實驗室中的概念已經擁有量產能力積極尋找合作對象中,已有媒體露出的公司是TESSERA與Ventiva,很巧的是,兩家公司替新技術取的名字雖然不同,但都是利用氣體放電、正負電子中和所產生的空氣流動,達到散熱效果。



《圖一 離子中和造風示意圖》
《圖一 離子中和造風示意圖》

空氣放電 正負離子中和造風

TESSERA是在2007年自美國華盛頓大學取得授權,而Ventiva則是從普渡大學得到研究基礎。無論是「電暈風」(Corona Wind)或是「離子風」(Ionic Wind),運作的原理大致相同。


以此原理製程的散熱器,晶片上以下凹的格柵作為帶電導線,當直流電壓接通後,空氣分子在強的電場作用下,負離子會脫離軌道、被正放電電極吸引並且中和,剩下的正離子繼續撞擊空氣,產生更多的正離子,正負離子交換電極的過程中,便會牽引空氣流動。


當然,這項造風的先決條件就是要掌控電壓得宜,並且另外增加一些技術條件,否則電暈不過是電力系統中造成電力耗損的負面效應。從實驗室走出,兩家廠商的技術細節均相當保密,不過,從理論面來探討,電壓一定要作足才能產生牽引作用,兩個電極開口如是尖銳、不平整的,所產生的造風效果也會較佳。


縮減1/4體積 摩爾定律的堅強後盾


《圖二 應用於筆記型電腦之溫度測試(Source:Tessera)》
《圖二 應用於筆記型電腦之溫度測試(Source:Tessera)》

科學界對氣體放電的研究開始得很早,但多半是著眼於「抑制」其帶來的負面效果,以免成為電力系統損耗的一顆老鼠屎;高壓電線會加上均壓遮罩,就是為了避免電能因電暈作用而產生損耗。用在無扇製風上,最大風速有2.4米/秒,而普通的小型機械風扇風速僅0.7~1.7米/秒,更重要的是,尤於完全不需要扇葉此種機械構件,體積相對之下縮小至1/4。


TESSERA Silent Air Cooling技術資深副總裁暨總經理Liam Goudge表示,EHD(電子液動力)散熱技術可以取代原有的散熱系統,以筆記型電腦的應用為例,不會影響本身主機板的設計,用原本的動力系統即可運轉,不必外加斷流器等保險裝置。不過,由於尚未真正落實於量產,我們也很難確定,氣體放電會不會抬高整體系統的耗電量?而耐塵量的測試也還未受市場檢驗,新型散熱器的使用壽命能否與終端產品並駕齊驅,若否,如何替換散熱裝置也是問題之一。


不過,遠眺無扇製風的未來,仍然是相當誘人的。由於體積有了突破,未來如能直接整合進晶片製程中,擁有自體散熱能力的新世代晶片,將讓小巧玲瓏的可攜式電子裝置更能「散熱有道」。


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