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在推动紧致化机构设计的同时，随着组装密度的增加，将会形成局部的高热密度。如何在SMT、PCB以及主动散热结构取得平衡，就以Xbox 360的失败为例，进行本文探讨。
由于高温对电子组件性能产生有害的影响，例如高温会危及到半导体的结点、损伤电路的连接界面，增加导体的阻值和形成机械应力的损伤，因此确保发热电子组件所产生的热量能够及时排出，是系统组装设计的重点。电子设备的可靠性及其性能，在很大程度上取决于设备是否具有良好的热设计考虑，以及所采取的散热措施是否有效。
以Xbox 360失败的散热设计为例
前阵子相当热门的1个消息，那就是微软承认截至目前为止所售出的Xbox 360游乐器全部都有问题。不过官方对三红灯的说法，却把责任完全推到消费者身上。微软官方指出，消费者采用了质量不佳的突波保护插座，由于电流的变化，将会导致风扇、DVD雷射读取头发生故障，只要是使用突波保护的插座，都会产生3红的故障状态，此时就只能送回原厂处理。但是就很基本的一般常识来判断，突波保护仅是采用简单的限流二极管，来限制透过保护器的电流超出一般正常范围时，自动将电源跳开，突波保护插座对工作电流几乎不会有影响，而Xbox 360本身的电源配接器才是真正负责进入主机处理电流调节。一般来说，符合规范的电源配接器本身要负责调节电流的稳定，进行简单的滤波处理之后，才将电源输入主机当中。
△图说：Xbox 360的三红现象，源自于微软对SMT贴片以及PCB的错误热设计。（微软）
如果真如微软所言，突波保护插头是罪魁祸首的话，那么微软的电源配接器可以说是个完全缺陷品。而当问题初步爆发时，其实就有不少玩家怀疑是散热结构的问题，只是微软初期一概否认，并且没有积极进行问题的发现与解决，才会导致问题一发不可收拾。
Xbox 360的问题已经有国外媒体指出，是出在显示芯片上。由于显示芯片晶体管规模非常庞大，其功耗高，温度也非常惊人，随着游戏的进行，主机内部的温度会逐渐上升，GPU和主机板将会被缓慢加热。由于机器运作当中，GPU与主机板都会处于遇热膨胀的状态，虽然主机板和GPU的膨胀系数不同，但由于是同时膨胀，两者之间产生的应力尚不明显，不至于将GPU的接脚由主机板上扯开。
但是当关机时，GPU由于与散热片接触，热量很快就会被带走，而主机板确因悬空于主机之中，无任何实体接触，因此冷却的速度较慢，GPU的冷缩速度太快，主机板的冷缩度慢，因此产生了极大的应力，导致GPU将焊点从主机板上扯开来。Xbox 360并不算偷工减料，事实上它的用料算不错，散热结构与供电模块其实都没有问题，只是问题出在微软为了抢占市场，忽略了先期开发的彻底测试，以致于让基本设计有缺陷的产品流通到市面上。后来微软所推出的修整版本产品，其实就针对了这个问题进行了解决，除在Xbox 360的GPU上加上了固定用的热熔胶，期望可以借此减缓膨胀系数不同所导致的应力，而在相关散热模块上也有增加或变动，借此彻底解决三红的问题。
△图说：新款的Xbox 360主机中，GPU已经被固定住，避免产生应力位移现象。（微软）
Xbox360所使用组件表面贴装技术的限制
Xbox 360采用的是目前风行的表面贴装(SMT)技术，与以往的插件型组装技术相较之下，所采用的热交换方式的选择余地很小，如果设计不当，就有可能重演Xbox 360的惨况。例如，对于采用插件型(Pin-Through-Hole，PTH)组装技术的双列直插式组件而言，由于具有接地接脚和电源接脚，可与印刷电路板具有热传导和热辐射功能的散热板(例如铜板)相接触，将热量散发出去。而对于采用表面贴装技术的组件来说，仅能采用表面接触的方式进行散热，由于表面贴装组件的接脚非常细小，因而对于热流而言，其流通截面积受到了很大的限制。
表面贴装组件的热设计，已经超过以住所遇到的电子组件的热设计考虑，以往所采用的插件型组件的外形尺寸比起表面贴装组件来说大多了，即使插件型组件上具有高热负载，也可以透过附着上常规的金属压制板材，或者采用具有足够散热表面积的、挤压成形的铝制外壳来进行冷却。而对表面贴装组件来说，虽然热量的产生通常要小于插件型组件，但是由于表面贴装组件的物理尺寸较小，并且缺乏专门的散热片黏接方法，从表面贴装组件上向外进行热交换的通道受到了很大限制。
当在表面贴装组件上黏接一块散热片时，尤其是对采用塑料封装的组件来说，环氧树脂黏接剂将会形成一个显著的热阻，此外在对流或强迫风冷的通道之中，由于表面贴装组件的外形较小，因此表面贴装组件不能有效地进入气流的传热界面层上，导致了热交换系数的降低。而当一个具有特定功耗的芯片，安置在较小的表面贴装组件内时，其产生的功率密度就增高了，于是要求有较高的热交换系数，才能保持与插件型组件相一致的温度。
针对SMT的内部热设计
为了提高表面贴装组件的热性能，可以对组件组装本身进行综合的热设计处理。例如，接脚数量众多的方型塑料扁平封装组件(PQFP)的热特性，可以透过增强其内部的冷却性能，使得热传递性能大为改善。其中包括使用铜接脚框架增加接脚框的面积和增加组件内的传热信道将其与接脚框连接起来，将热量透过接脚框传递到组件的外表面。采用了这些热设计措施，将增大方型塑料扁平封装组件的功耗散发量，可以从原来的2瓦左右增至3瓦以上。
另外，采用其它热设计的方式，也能够改善表面贴装组件的散热性能，其中包括增加管芯尺寸、增加铜材制成的电源线和接地线的面积(对于多层陶瓷组件而言)，以及降低塑料的厚度。所有表面贴装元组件内部所增加的热设计措施，将导致费用增加，除此以外，也影响到结构的可靠性。
SMT的外部热设计方式
为了能够将表面贴装组件上的热量散发掉，工程师们尝试了各种方法，其中绝大多数方法同样也适用于插件型工艺情形。有关的系统冷却技术同时适用于表面贴装技术和插件型二种方式。这些技术包括机柜的热管理、机柜和机箱采用自然对流冷却、强迫空气冷却、液体冷却热交换和空气调节器。
一些常规的电子元组件和印刷电路板上常用的冷却技术，也同样可用在表面贴装组件上，包括传热信道、冷板、焊接散热板、热导管、致冷片、微型风扇和充满液体的冷却袋等。在表面贴装元组件的顶部安装上散热器，可以显著地增加SMT组件的散热面积。当气流方向不明确的时候，在SMT组件上黏接上正交的铝散热片是非常有效的。
SMT组件所采用的散热器，绝大多数采用铝材(挤压成形、波纹状板材)，对温度要求较高的也有采用实心铜散热器，目前正引入采用由金属填充的、具有热传导性能的聚合物材料制造的散热器。采用该散热器具有一定的优势，这种散热器具有适合于塑料组件的热膨胀系数，能够提供较高的热传递性能，它们可以透过黏接胶接在SMT组件上。
△图说：SMT主机板上的热导管设计，但此散热机制大多不如笔记本电脑中的有效，很多时候是以消费者的视觉需求为出发点。（www.abit.com）
针对PCB的热计算
电子设备在工作期间所消耗的电能，除了有用功外，大部分转化成热量散发。电子设备产生的热量，使内部温度迅速上升，如果不及时将该热量散发，设备会继续升温，组件就会因过热失效，电子设备的可靠性将下降。SMT技术会使电子设备的组件安装密度增大，有效散热面积减小，设备温度上升的程度可能会严重地影响可靠性，因此，对PCB热设计的研究显得十分重要。
准确确定PCB组件的功耗是一个不断重复更迭的过程，PCB设计人员需要知道组件温度以确定出损耗功率，热分析人员则需要知道功率损耗以便输入到热模型中。设计人员先猜测一个组件工作环境温度或从初步热分析中得出估计值，并将组件功耗输入到细化的热模型中，计算出PCB和相关组件「结点」(或热点)的温度，第二步使用新温度重新计算组件功耗，算出的功耗再作为下一步热分析过程的输入。在理想的情况下，该过程一直进行下去直到其数值不再改变为止。
然而PCB设计人员通常面临需要快速完成任务的压力，他们没有足够的时间进行耗时重复的组件电气及热性能确定工作。一个简化的方法是估算PCB的总功耗，将其作为一个作用于整个PCB表面的均匀热流通量。热分析可预测出平均环境温度，使设计人员用于计算元组件的功耗，通过进一步重复计算组件温度知道是否还需要做其它工作。
一般电子组件制造商都提供有组件规格，包括正常工作的最高温度。组件性能通常会受环境温度或组件内部温度的影响，消费类电子产品常采用塑料封装组件，最高温度是85 ℃；而军用或工业用等级产品常使用陶瓷封装，工作最高温度为125 ℃，额定最高温度通常是105℃。PCB设计人员可利用组件制造商提供的「温度/功率」曲线确定出某个温度下组件的功耗。此外，布线、组件的排列、材质的选用、散热孔的配置、导热材料的应用等，甚至是与芯片之间的热膨胀系数及可承受温度考虑，都是在设计PCB，所必须注意的重点。
应用在芯片本身的冷却技术
从散热方式来看，芯片的冷却可以分为被动以及主动两种方式。前者的特点在于芯片的温度将会始终高于环境温度，且没有制冷结构。而后者则是包含了可将温度压制于接近环境温度、甚至低于环境温度的制冷结构；虽然毫无疑问的，后者将更有利于提高芯片的工作性能与稳定性，但是所需付出的代价就是散热结构将会更为庞大，且免不了会带来功耗或者是噪音的增加，而由于具备了类似风扇马达等机械式结构，在可靠性方面可能也会明显不如被动式散热架构。
芯片冷却技术中，运输热量的介质可包含流体(气体与液体)、声音、电子、光子等总共5种。目前广泛应用的风扇加散热片结构，即是典型的气冷方式。通过鳍片的配置，改进气流分布、增加风压等方式，目前气冷方式已经逐渐逼近物理极限(<100w/平方公分)。因此，此技术已经难以满足诸如笔记本电脑等移动设备的狭小空间散热需求。而液体因为单位热容量比气体来得大，因此若以其作为循环介质的方式来进行冷却动作，则能够提供更高的冷却效率。不过使用液冷需要考虑到容器的密闭性、循环方式、整体机构设计，一般来说，液冷需要更大的结构体积，以之进行足够的热交换动作，方可确保冷却性能的表现。
为了满足芯片冷却的需求，新型态的散热组件也在逐渐发展，部分厂商则势将现有的制冷系统微型化导入到小型机壳结构当中。然而微型化所导致的效率问题并不是可以那么轻易解决的。考虑到导入的难度、体积的微缩，一般应用最广的该属热导管辅以主动风扇的散热结构。
△图说：热导管的热交换方式与内部结构示意图。（www.content.answers.com）
热导管是利用相变化来强化热交换的传统技术。典型的热导管由管壳、吸液芯以及端盖所构成，其至作方式乃是将管内空气抽出，到达负压之后，再充填以适量的工作液体，再使紧贴管内壁的吸液毛细多孔材料中充满液体之后，再加以密封而成，一般而言，填充于热导管内的液体多以纯水为主，少部分则是以特殊材质粉末。热导管的一端为蒸发端，另一端则视为冷凝端，根据需要，可在两端之间布置绝热段。当热管的一端受热时，毛细孔中的液体会蒸发汽化，蒸汽在微小压差的作用下流向另一端，释放出热量，并回归为液体，再借毛细现象回到另一端。
热导管技术已经被普遍应用到笔记本电脑之中，并多辅以风扇等主动散热方式来加强散热。而在UMPC产品的散热设计中，由于所选择的处理器热功耗系数较小，这种情况之下，我们就可以利用机壳本身的结构配合适当的金属外壳来达到效果合宜的被动散热效果。当然，为了达到更好的散热效果，也可以搭配风扇进行主动散热，只是这么一来，在气流的设计与结构的放置上就要更伤脑筋。而且这么一来，系统功耗会随之增加，连带的降低了待机与连续可用时间。而随着处理器的技术进步，在UMPC产品采用不需外加散热结构低热功耗处理器，便有可能在不另加主动散热方式的前提之下，达到合宜的使用感受。
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