电子产品往轻薄迷你发展，这些小型电子产品，为何能在有限空间里冷却众多半导体电子组件所产生的高热？是决定产品的性能以及尺寸的重要关键。尤其最近Netbook或是Smart Phone等更高性能、或是LED高辉度照明应用，产品面临的极大的散热难题，势必采用风扇强制冷却的手段进行产品设计，而适用于这些小型产品的微型风扇，即成为重要的关键零组件。

    随着IT化的进展，通讯产品的开发亦无止境的发展，踏着此技术成果的电子产品的性能提升令人惊叹。而随着性能提升，不可欠缺的半导体的高密度化则面临必须解决由半导体电子组件增加的发热量以及每个电子组件单位面积所增加的发热量，此两观点所引起的散热课题。

    搭载风扇来解决小型电子产品的散热问题，虽然比自然对流的散热方式能够得到更大的散热效果，但另一方面，搭载风扇进行散热也存在着特有的课题。那就是 1、当风扇发生故障时散热效果会降低 2、会发生噪音 3、为使风扇驱动，电力即为必要…等这些问题。

    1995年当笔记型计算机搭载风扇进行散热时，使这些课题变得明确化，而经过了14年间的问题改善，笔记型计算机也拥有解决这些课题的历史，因此随着回顾笔记型计算机的散热技术发展的历史，当思考如何解决最新的小型电子产品所面临的散热问题时，个人认为相当具有参考价值，因此于本文章中，藉由追溯这段历史，同时也考虑当小型电子产品搭载风扇时，应该采用如何的散热设计，而当选用风扇时又该考虑何种问题，以及说明关于最新的超小型风扇的动向。

    小型电子产品的散热滥觞 笔记型计算机问题研究

    在笔记型计算机上采用强制气冷风扇始于1995年Intel的Pentium CPU的上市。虽然当时为打破最高速CPU 80486的性能界限而推出Pentium，然而同时其发热量也飞跃似地增大至16w，由于以往的自然散热技术用于笔记型计算机系统上的散热已出现困难的情况，因此风扇的散热方式开始被采用了。

    当时CPU的散热，是采用以铝或铜的散热板使CPU的热于系统内进行自然散热的方式为主流，对于发热量增加的Pentium的散热问题，CPU制造商则提倡采用导热管来降低散热板的热阻抗的方式。

    由于此散热方式是为使CPU的热能扩散至笔记型计算机内部，因此系统内部的温度会上升，虽然对于能耐热温度95℃左右的电子零件以及更高温CPU的散热是可行的，但对于耐热温度55℃~60℃低温的HDD，FDD或是CD-ROM也会有不适用的情况。此散热设计的考虑是将扩散于笔记型计算机内部的热，最终由框体散热至外部，但随着制品的小型化，薄型化，散热至外部的面积减少，并且笔记型计算机的表面温度有极限，再加上CPU的发热量仍会继续增加，因此笔记型计算机的散热设计是有极限的。

    话虽如此，计算机制造商对于在笔记型计算机上采用风扇散热方式一事，其对应方式为慎重的，东芝于1995年春天推出搭载Pentium的Sub Note。

    至于较晚采用理由，当时的计算机制造商指出的三大难题，要在笔记型计算机上采用风扇将会：1、因风扇故障而无法散热(信赖性)；2、风扇噪音扰人(静音化)3、消耗电力使电池负荷增大(省电力)。

    以上为不采用风扇理由的三大课题，于笔记型计算机搭载风扇已经过14年的现在，虽然已经大幅改善。但一般认为在「其它」小型电子产品，如行动电话上不采用以风扇强制气冷的理由，是因为风扇占有空间上的问题。

    14年前即使采用风扇散热有这么多需要克服的课题，然而对于冷却发热量持续增大的CPU，同时还要保持HDD等的耐热温度于界限内的散热手段，除了采用强制气冷风扇散热之外别无他法，随着对此认知被广泛推广，因此于1996年之后笔记型计算机对风扇的采用亦急速增加。

    虽然不搭载风扇的散热方式为最理想，但随着进展为高性能化以及高机能化的商品，如微型投影机，UMPC，4G行动电话，LED照明等散热课题的解决，情况与14年前相同，认为除了采用风扇散热方式之外别无他法。以下对于采用风扇伴随而来的三个课题，将由笔记型计算机散热的技术史的观点说明关于风扇及笔记型计算机采用了何种开发技术。

    高散热化及静音化

    静音化的追求不只是要降底由风扇单体所发出的噪音，还要降低将该风扇装设于笔记型计算机时由系统发出的噪音，由此两方面着手是有必要的。关于降低风扇单体的噪音，各风扇厂都有其独自的诀窍，这里所要叙述的是关于当选定最适合的风扇后如何减低笔记型计算机系统本身的噪音。此想法为对于采用风扇冷却方式的其它电子产品也适用的重要理论。

    依据风扇对笔记型计算机的散热概念，以风扇由系统外部在温度Ta吸入风量Q的空气，以温度T2排出空气。以温度Ta的空气冷却系统内部CPU以外的部品，于温度T1上升之后进入风扇，冷却因CPU的热而达到高温的Heat Sink后，再以温度T2将空气排出系统外部。

    此情况，风扇的散热效果为对CPU以外的部品的散热效果H1及对CPU的散热效果H2的合计，各自如下所示：

    H1=p X Cp X (T1-Ta) X Q

    H2=p X Cp X (T2-T1) X Q

    H1+H2=p X Cp X (T2-Ta) X Q

    p：空气的密度 Cp：空气的比热

    Ta：四周温度(室温) T1：风扇吸气温度

    T2：系统排气温度 Q：风量 X：乘号

    总之，笔记型计算机的系统散热效果为(T2-Ta)XQ，其中CPU的散热效果则取决于(T2-T1)XQ。

    关于一般风扇的噪音，由于风量Q增加噪音便会增大，抑制噪音并增加散热效果不只是在于增加风量，应该是要追求增大(T2-Ta)或(T2-T1)的散热构造。由此观点来看，笔记型计算机于1997年时，如下图所示，风扇与Heat Sink以及导热管一体的Hybrid构造随着出现，并且被大幅采用于笔记型计算机。

    因此，较笔记型计算机更为超小型的电子产品，如UMPC或微型投影机等，若评估其风扇散热效果时，除了考虑风扇与Heat sink的构造ㄧ体化之外，驱动风扇的输入值亦值得注目。例如当风扇的冷却效果为1w时，若风扇的输入为1.5w，反而变成将0.5w的热加在系统。

    关于现在市面上贩卖的超小型风扇，经调查此现象得知结果，散热效果假设算出T2-Ta为15℃，则尺寸15X15X3mm，散热效果2.12w；换言之风扇输入0.12w，实际散热效果2w，故当选择风扇时，此实际散热效果也需要考虑。

    降低笔记型计算机的噪音还有另一个方法，便是以散热所必要的最低回转数控制风扇的回转数以及将噪音降至最低。由于一般在定电压之下驱动的风扇回转数会有差异，因此于散热上若回转数下限值可行的话即可，因由于差异造成回转数增加时噪音也会随着增加，因此没有任何优点。

    而使用在笔记型计算机上的风扇，由于受空间的限制而采用非常精密的微型风扇(Micro Fan)，其结果导致马达输出变小，因此马达机械的负荷变动使风扇回转数变大，而成为噪音值分布不均的要因。下图所示为以笔者所属的SUNON公司制造的尺寸40mm厚度20mm的风扇，因风扇温度影响回转数的变化。可看出由常温至60℃的范围内，每20℃约5%，其回转数的变化约300rpm。

    此回转数变化的主因为轴承的润滑油的粘度是因温度而产生变化。由此事可得知由于Micro Fan微小的机械损失的变动即会引起很大的回转数的变化，因此风扇的定格回转数的公差为±15%以上有变大的倾向。

    另一方面，从小型电子产品制造商的立场来看，若装入风扇回转数的公差大的情况下，个别制品的噪音等级的差距亦相对增加，便与风扇制造商对于回转数要求公差小一事产生矛盾，因此新的解决对策的需求被提出，即为风扇的PWM控制方法。

    此为以风扇回转数比例于系统上检测FG信号，将其回转数作为设定回转数，以PWM控制风扇驱动电压之技术作为笔记型计算机的风扇回转数控制法，于1977年首次被导入，现在亦被采用于桌上型计算机等成为风扇回转数控制的主流。

    虽然因采用此控制法，而将风扇各自具有因机械漏失的变动而产生的回转数差异，也由于此差异而导致噪音不均的情况随之解决了，但是今后导入风扇散热的微型投影机或是4G行动电话等超小型电子产品等所需之风扇，皆较笔记型计算机所采用的风扇为更小型，回转数的差异亦为更大，因此风扇的PWM控制是不可欠缺的技术。

    风扇可靠性的提升关键

    一般认为于笔记型计算机上所谓的风扇的信赖性主要是指寿命的问题。由于当风扇一旦停止便无法得到所期待的散热性能，因此多会考虑使用环境温度为约比常温高出许多的50℃，而风扇规格则被要求在60℃，MTBF(平均故障间隔)的寿命多被要求在3万小时。1995年当时，搭载于笔记型计算机用的风扇轴承，被分为Ball Bearing(滚珠型)或含油烧结金属的Sleeve(油封型)，或者是折衷结合Ball Bearing和Sleeve的类型。

    搭载Sleeve的风扇至当时为止，由于在其它用途上是于常温下使用，因此若将其应用于使用环境温度50℃高温的笔记型计算机上，由于高温会使润滑油漏油、且润滑油不足便会在较短的时间内使风扇停止运转，而此情况也曾多次发生。因此初期的Sleeve轴承有高温寿命较短的缺点。

    Ball Bearing在这点的高温信赖性则较高，能完全满足笔记型计算机所要求的寿命规格，于1997年时便可看出笔记型计算机用的风扇轴承有采用Ball Bearing的倾向。然而，Ball Bearing亦有其弱点。

    而关于摔落实验后的噪音等级也是问题，仅于30cm高度做一次落下测试便会使噪音增大，由此得知Ball Bearing有此一不耐冲击的噪音特性。而此问题，对于经常被移动使用且受冲击机会多的笔记型计算机用的风扇轴承而言，却成了相当大的障碍。

    由此背景看来，如前所述初期的Sleeve型高温寿命课题以及Ball Bearing噪音特性两大课题之改善，对于风扇轴承的开发乃当务之急。

    1999年采用解决这些课题的新型轴承的风扇在台湾上市，另外Sleeve型轴承也因含油率提升或减低润滑油的高温蒸发率，加上高温酸化安定性的改善，成功地开发了高温长寿命的MagLev(磁浮)轴承，是藉由磁气的吸引力使其取得平衡使轴承负荷减低。

    依此原理制作的风扇，噪音几乎没有增加，同时于60℃环境温度下持有MTBF3万小时寿命的能力，于今日更是广泛地被采用于笔记型计算机。现在更以达到超寿命为目标，也开发有可能达到在60℃环境温度下持有MTBF 5万小时寿命的SLMS(Super Long life MagLev System)，被期待成为帮LED背光散热或LED照明用的风扇长寿命化的新技术。

    风扇省电力设计的进展轨迹

    1995年当散热风扇第一次被采用于笔记型计算机时，对于CPU发热量6w的散热，风扇的消耗电力为0.4w。而至数年前，对于CPU发热量30w的散热，风扇的消耗电力为1.5w，对于CPU发热量增大5倍来看，风扇需求电力增加4倍，几乎是以比例增加。风扇省电力化的突破关键点，则是由于研发出并开始采用三相驱动方式的马达，相较于在先前采用的单相驱动/双相驱动方式比较，省电性能大增。如上述对于CPU发热量30w的散热，消耗电力只需0.7w，几乎达到减半。

    对于风扇消耗电力敏感的携带型电子产品而言，风扇特性的要求不只在于轻薄短小，风扇低消耗电力亦为不可欠缺的因素。研究超小型风扇时亦采用此三相驱动方式，预计近期即将商品化。

    结论：被动散热不足 强制散热持续扩张应用范围

    中文是以「散热」一词来表达冷却之意。使热分散最终由电子产品本体的表面放热于空气中的方式确实为有效的方法，认为此正意谓无风扇(Fan Less)散热。