挑战薄型化与性能极限PCB优化手机设计改善散热困境
- 魏淑芳
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智能手机性能要求越来越高，加上产品在体积、厚度极致薄化，甚至在手持、贴附脸颊通话使用情境限制下，必须在设计上考量散热效率与实际使用条件，增加产品开发难度…
智能手机、移动运算装置持续追求小型化、高性能化设计，虽然在运算核心芯片的性能提升方面，仍可透过新制程、更小的线径与高效能架构提升整体运做性能，但性能提高的同时也带来了更多新问题，如功耗、散热、电磁防护等，这些设计问题在大体积的电脑、笔记本电脑或是其他中型尺寸3C设备可以利用机壳机构或主动散热架构改善热处理问题，但若对移动设备、小型化智能设备，整体散热设计就成了新的开发瓶颈。
3C产品追求高效能 带来散热设计新问题
尤其是新一代移动设备，越来越讲究声、光娱乐效果，需要高性能3D与显示加速芯片增强视觉体验，高性能提升带来的第一个大问题就核心运算处理器高频运作产生的热源散逸问题，若是金属机壳产品，或许可以受益于金属高导热特性将机内产生的温度透过机壳传导散出，但散出温度也不能无节制全透过机壳传导，积累温度提升也会导致机体容易高温的负面体验产生。
新一代的多核心运算处理器，已透过芯片多核心协同运作的架构方式，让单一核心运算芯片可以透过多核协同运行的机制，减轻单核心设计的负载、功耗，透过多核心部署，在提升整体运算芯片性能的同时，也可利用多核架构分散运算负载，甚至在待机状态下转换至效能足以满足基础运算性能的低功耗核心，达到节约整体电源管理、降低功耗效用。
异质核心半导体封装 改善元器件特性
除架构上的优化途径外，半导体的封装技术也可达到一定的散热优化效用，尤其在多核心架构或是异质核心设计方面，新的半导体封装技术已经可以达到除了可以整合多组数为逻辑运算芯片外，还可以把类比芯片使用封装技术一并整合成单一复合元件，成为复合元件的好处相当多。
首先，电子装置成本关键的料件表光是整合元件就能让长长的料件清单少掉一大半，电子元器件的采购成本也可受益大幅缩减，另一个特点是独立的元件数量一多，等于是多个发热的节点产生，将元器件整合于单一芯片，可以将专注处理重点区块的散热处理，甚至可以导入新颖的导热材料优化设计。
元器件集中化的优点还有很多，例如，可让PCB电路载板的面积大幅缩减，但以往在功率元件或是高频、高效能元器件的电路载板，还负有间接改善散热的效用，但PCB缩减尺寸后，散热的主要负荷就必须透过导热、散热材料、机壳等处理核心温度优化问题，集中处理的好处相当多，可以让开发者针对重点散热问题进行改善，透过导热/散热材料搭配组合达到最佳效益，也能有效控制效果与成本。
移动设备元器件布局 影响散热设计
在移动设备的元器件布局，因为不同元件特性、功耗、功率密度差异，也会让载板本身的运行温度分布产生极大差距，尤其是移动设备内的元器件布局相对紧凑，零件与零件之间的间距极小，不仅是重点数码逻辑、高频元器件容易产生高温，对于类比／功率元器件也会碰上同样的问题。
装置本身会因为元件的电力供应需求不同，通常需搭配DC/DC转换器整合电路，基本上DC/DC转换器最高转换能效并无法达到理想的100%，损失的能量大多转换成热能，若集成电路、元器件布局紧凑，加上机壳空间薄化影响散热，基本上热阻问题也会使得散热设计不容易处理。
采用SMT制作方式 搭配PCB优化热传导效益
减少移动设备热量的设计方法，其实可透过几种方案进行改善，一，可利用PCB电路载板来进行散热优化，若IC、元器件、功率元件可以采用SMT(Surface Mount Technology)表面贴焊方式组装配置，PCB本身即有大量的高导热的铜质连通孔径、铜箔电路层可将半导体、元器件产生的热源传导出来，半导体或是元器件产制的热量可以透过封装体或是元件下方接触PCB进行传导，以半导体元件来说，若封装体本身热阻够低、接触／传导至PCB的热阻也能受到控制，基本上就能为整体电路达到不错的散热优化。
另一个方式为增加机壳内的空气流动，因冷气流的流动可以让封装体的热快速被带走、散逸，但和可惜的是移动设备的内部空间紧凑，并不容易使用扩大机壳的概念增加冷空气对流，甚至新的设计都要让移动设备兼具防水、防尘，机壳、连接器机构等设置防水/防尘元件或结构，都会导致积体外部的冷空气不易在机壳内流通，自然影响散热效果。
至于，增加气流流动的方案还可选择追加主／被动散热处理，主动散热为设置如导热管至风扇处理，但可惜的是移动设备要求电源功耗最小化，增加风扇自然会提高耗电，机体也无足够空间设置热导管或是其他被动散热的金属散热鳍片。
面对机构的限制，最具效益的方案自然为前者，采用PCB电路载板优化散热效果方案，可由PCB设计阶段即使用更多铜材料进行导电层、连通孔径的处理，透过降低PCB本身的热阻、增加热传导效率方式，让整体电子电路在有限空间的机构中达到最佳化的散热、导热效果，快速将机壳内部元器件的温度传导至散热贴片或是机壳。
