Box Pc，经过二十年的发展已经逐渐渗入到不同的嵌入式系统市场，然而，然而现有的Box Pc的外壳设计似乎并不能满足市场的要求，其中包括：坚固的系统、不同应用领域的差异性、良好的机械性能以及良好的散热性能。
专用的Box PC已经能应对复杂的需求，为选择真正适合的产品，OEM与集成商必须深入理解Box PC的内部构造。本文将揭开Box PC的外壳，深入探讨这类产品的工程原理及其冷却系统设计。
20年来，桌面型计算机技术已逐渐渗透到不同的嵌入式系统市场。通常，这些原动力均来自于大家已熟悉的软件与开发工具、使用者接口、储存装置与基本I/O接口等。在这段期间内，为了使电子产品更加微型化，业界催生了小型尺寸（SFF）的主板。这种主板仅针对A/D转换、图像采集、固态储存、无线通讯以及其它每一种独特应用所要求的I/O，提供所需的少量扩充接口。
虽然小型尺寸主板和现成的I/O卡已相当普遍，不过，完整的‘Box’解决方案也同样有一些进展：针对办公环境应用的桌面型ATX规格直立式计算机( ‘tower’ PC)，范围包括从护理站IT系统，到视讯监控系统等。随着时间推移，桌面型计算机OEM厂商所开发的小型计算机也逐步扩大其渗透率。
在这个市场中，有两种不同的产品发展方向。过去10年来，诸如平板计算机 (panel PC)与工业计算机用机箱等完全整合型解决方案，已被广泛应用于人机界面 (Human-Machine Interface, HMI)、信息亭（Kiosk），甚至是FDA认证的医疗设备等应用领域。另一方面，快速普及的Mini-ITX规格主板，也让嵌入式供货商与桌面型设备供货商在从工业控制到数字广告牌等应用领域中展开激烈竞争。
这是一个高度竞争的市场，所谓的成本最佳化，意味着必须采用高散热设计功耗（thermal design power, TDP）的处理器、冷却风扇以及旋转式磁盘驱动器。图1所示的ADlink MK-100是针对嵌入式应用的Mini-ITX系统。该系统支持Core?2 Duo处理器、3.5寸硬盘、具有一个超薄型CD-ROM光驱、内建ATX电源、以及根据所安装的主板而定的，可用于PCI Express?卡或PCI?卡的扩展卡接口。该系统外形尺寸为8.8 x 10英寸，大约与一张纸相当。同时，由于采向右展型的接口转接卡 (right angle riser card) 设计，其高度仅3.3英寸。这套解决方案适合具有风扇及旋转式磁盘的高性能室内应用。
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图1：搭载了Intel? Core?2 Duo处理器的凌华MK-100 Mini-ITX系统。
更强固的系统
目前，市面上的Box PC普遍不够坚固，举例来说，在一些户外应用中，某些情况下，构建一款解决方案是以模块化的概念为基础，在一开始时，可能采用便宜的主板，但到了系统级阶段再加以强固化(ruggedizing)。不过，只要进行一些改良，例如透过散热胶、间隙填充物（gap filler，可用在产生热量的组件间填缝，消除间隙以降低热阻，进行散热）与散热铜管（copper chimneys）等，将处理器与芯片组的热传导到金属外壳，就有可能形成无风扇的设计。只要移除风扇与旋转式的存储介质，即可显著提升可靠度，缩短平均故障间隔（mean time between failures, MTBF）。
即使一款解决方案能够通过改善操作来通过热测试，但仍需注意这整体组合的长期可靠性。毕竟，在一款Box PC中，所有电子装置的可靠度都会随着内部温度的上升而直线下降。
散热设计必须同时考虑几项要点。首先，必须将热源与外部外围环境之间的热阻减至最少。热传导解决方案中，每一个部件均包含了一个会依照其热属性而升温的接口。这种最佳的解决方案能同时做到与表面接触，又具有缓冲性（z轴行程），因此能预防空气间隙成为隔绝层，并从而导致温度的升高。
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其次，目前已经有搭配了绝缘材料、可应用于不同热冲击条件下的主板，这些主板还具备铜金属，可将来自半导体及其它敏感组件的热源进行散热。这些嵌入式单板计算机（SBC）被归类为军用宽温级(Extreme Rugged) 范畴，因为它们是专门针对恶劣环境应用所设计。包含焊接与回焊曲线等制程及材料技术，也有助于这些单板计算机的盛行。
最后，每一种单板计算机所选的组件可能有很大差异，首要考虑的关键之一，是随温度变化的参数。无论是被动或主动组件，不同的组件都具有不同特性，而这参数指的就是高频阻抗或制造公差（指的是部件或组合件在生产制作时与制作尺寸之间的允许偏差，以每百万组件计）。当然，更严格的制造公差与性能更好的零件通常就更贵。因此，就单一设计来说，几乎不可能在一定的工作温度范围内同时实现成本最佳化与性能最佳化。而商业级主板靠制造筛选，是无法抵御长期的热冲击与极端温度的。
依不同应用领域将市场差异化
嵌入式系统已被应用到工厂、户外、车载计算机等场合中。在应用如此多样化的情况下，单一系统并不能满足所有应用领域的需求。为协助系统集成商与系统OEM厂商方便选择现成可用的解决方案，这些方案必须根据强固程度加以分类，如额定温度、冲击与震动、灰尘与湿气容限（例如IP/NEMA评等）等。
“工业级”（Industrial）这个名词，可被定义成仅作为室内环境需要、不需太严格的可靠度条件的应用。在最糟情况下，这种室内应用有时可能会产生一些必须重开机的状况，但不会出现其它附带损害。因为与此同时，也许仍有一些具有高可靠度的实时子系统会持续执行作为备用。商业级计算机额定温度在0~40℃者即有可能满足这种任务需求。
而所谓的“宽温级”（Rugged）则代表着系统也许必须在-20℃的户外环境下启动；或是在一些室内环境中，必须在靠近可能导致震动或偶有冲击产生的设备旁运行。在这些情况下，电路设计与制程是决定整体系统性能的关键。
最后，军用宽温级（Extreme Rugged）则意味着最艰难的使用环境，甚至包含了偶尔发生的闩锁、焊点破裂与接触不良等可能导致可怕后果的情况。许多大众运输、航空、海运与战场均属于此类应用。针对这些应用所设计的系统，必须采用最高的设计、验证与制造标准。由于涉及了许多风险，因此，这类系统并无法符合以成本为主要考虑的情形，即所谓的成本有效性 (design-for-cost, DFC）。
以设计达成强固性
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图2：Ampro by ADlink? RuffSystem? 800改良了散热性能。
图2是可应对极端严苛环境所设计的系统案例。该系统名为RuffSystem? 800，它可适应从基础到极端严苛的应用。一个极端强固的系统须特别注意包括机械强度与热环境。为了承受可携式与汽车电子这类通常需要强韧系统设计应用的冲击与震动，这些系统内部通常已针对机械强度进行了特殊设计。
RuffSystem? 800的整个系统经过精心设计，将可移动部件数量减到了最少。该系统采用固态CompactFlash?来储存操作系统，取代了传统的旋转式硬盘。而针对数据储存，该系统则采用了独立的固态硬盘，同样摒除了旋转式磁盘。其内部的LittleBoard? 800 是一款EBX规格的主板，使用了最高级的材料、以及经过实地应用验证 (field-proven) 的电路，以满足各种任务要求。
在设计散热解决方案时，必须详细地分析现有系统的状态，以及系统周围的散热模式。在PCB设计时，其中一项关键就是如何有效地将热能从热源传导至散热片，以改善热性能。在图2所示的系统中，LittleBoard? 800主板上的CPU与北桥芯片是主要热源。因此，在CPU与北桥芯片之间采用了低热阻的热接口材料（Thermal Interface Material , TIM），并放置了散热片。在制造每个系统时，TIM同时也能用以在每个部件周围的立体空间中来微调少量的制造公差。TIM材料的选择是以与接口材料层厚度呈反比的热转移原则为基础，因此，更薄的TIM层可达到更良好的热转移（具更低的热阻）。
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良好的散热设计
散热片本身连接着一个特别设计的热塔（heat tower），热塔再接触到系统外壳的顶盖（图3）。透过CPU/北桥散热片有效地将热能采集到机壳顶盖，这个热塔可显著改善散热性能，并加强系统的强韧性。这个热塔为CPU与北桥芯片到系统外壳之间提供了低热阻的路径，同时仍然符合机械强度与系统强韧性。
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图3：该系统为CPU／北桥芯片到机壳提供了有效的散热路径，其热塔则为系统保持了强固的设计。
这个热塔使用了非常低热阻脂的材料来接合散热片、以及接合热塔内的两个采用弹簧连接的独立空间。这种使用弹簧来连接两个空间的设计，为热塔提供了一些缓冲，当外部机壳遭受压力或冲击时，能保护CPU免受损害。即使该热塔是以独立部件、分离空间的概念设计，它仍可确保散热路径不被阻挠。
热塔相对来说，具有较大的金属截面，因此，对于从散热片到外壳顶部的散热路径来说，它的热阻抗也较低。从散热片流至热塔的热量会穿越热塔中涂布了热阻脂并以弹簧相连的两个部份，并到达热塔顶端，此处热阻脂层会形成到机箱外部金属覆盖层的低热阻通道。因此，这个机箱可对CPU来说，就是个有效的散热片。该机箱采取重迭的机械设计，将所有金属组件间距与连接距离最小化，同时也大幅降低了排放量并提升安全性。
其它特性
该系统针对严苛的应用环境提供了可用的操作系统选择，包括Windows XP Embedded、Windows CE与嵌入式Linux等。相较于目前的工业级Box PC通常执行Windows与桌面型计算机Linux系统，Windows XP Embedded可依照执行需求加以选择做客制化。由于仅需包含必要的部份，因此能大幅降低硬件需求。
该系统的设计包含了许多特色，以改良在热环境与冲击和振动条件下的强固应用。该系统符合多种震动标准，包括MIL-STD-810F, Method 514.5 Category 4振动测试，指对纵向、横向与垂直三向的承受度：在振动频率从10 Hz到500 Hz的状况下该系统可正常运作，并可维持到此规范内之最长时间，其测得的整体振幅为1.04Grm。此外，针对冲击力测试，该系统也符合MIL-STD-810F Method 516.5，可承受6 mS的双向40G冲击。
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图4：在MIL-STD-810标准中，电池冲击与震动测试是极具挑战性的项目。
RuffSystem?也已通过MIL-STD-901D从0 Hz至10 Hz的船舶条件测试。在实际的水中环境测试中，该系统完全符合海军的MIL-STD-901D规范。从设计初期开始，强固性就必须作为系统设计的主要考虑。同时，整体来看，也必须将整个系统视为一个整体才能够达成强固的设计。
（凌华科技Colin McCracken、陈琪博士）
