芯片太熱了，要降降溫

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以前不需要散熱的芯片現在可能需要散熱了。

• 從風冷改為液冷時，沒有冷卻液的部件可能會過熱。

• 整個電路板或系統必須進行熱分析，以確保任何曾經足夠涼爽的組件都能保持涼爽。

• 對于沒有液冷裝置的部件，可能需要采用其他冷卻技術。

液冷技術在冷卻高功率芯片（例如GPU）方面效果顯著，但卻給附近其他芯片帶來了散熱問題，這些芯片原本受益于用于冷卻GPU的氣流。如今氣流消失，如何有效散發PCB板上的剩余熱量成為一大挑戰。

冷卻系統能夠確保組件在規格范圍內運行，同時提升電路板和組件的可靠性。“溫度始終是可靠性的重要指標，”西門子數字化工業軟件創新路線圖經理 Robin Bornoff 表示，“溫度本身并不會導致故障，它始終是一種后續的熱機械現象。某個部件溫度升高后會發生彎曲，如果彎曲過度就會斷裂。一旦斷裂，C4 凸點（或其他部件）就會損壞，最終導致整個電路失效。”

氣流可以到達電路板的每個部分，浸沒式冷卻也是如此。更常見的是，采用液冷來對發熱芯片進行策略性冷卻。不適合液冷的芯片可能需要額外的被動或主動冷卻。這就催生了微冷卻的概念，即針對有限空間，僅冷卻一個或幾個組件的冷卻方案。

圖 1：此電路板熱模擬圖顯示，強制空氣從右上角吹入。如果改為液冷，藍色和紅色芯片的溫度可能會降低，但中間的芯片（如果未接觸到液冷）可能會變成紅色。來源：Synopsys

在缺乏氣流的情況下，必須對電路板上的所有組件進行分析，以識別任何新的散熱問題。針對這種情況，確實存在替代解決方案。“在缺乏主動散熱的情況下，可以使用諸如均熱板和熱管之類的替代技術，” Synopsys公司電子產品熱完整性高級產品經理 Jeff Tharp 表示。

基本的散熱計算

傳統上，電路板作為一個整體進行冷卻，通過足夠的空氣流通來保證板上的元件在其規定的溫度范圍內運行。確定空氣流量需要了解所有熱源，以確保充分的冷卻。

“要確定溫度值，你需要知道溫度的產生速率和散失速率，”薩普解釋說。“當這兩個速率達到平衡時，就確定了工作溫度。”

但這些電路板通常包含幾個主要的發熱元件和許多其他組件。為了便于討論，我們可以將需要液冷的芯片稱為“熱芯片”，將不需要液冷的芯片稱為“溫芯片”（如果它們接近過熱極限）或“冷芯片”（如果它們遠未過熱）。雖然我們通常更關注熱芯片，但在模擬整個電路板的散熱性能時，其他芯片（無論溫芯片還是冷芯片）的散熱影響都會被考慮在內。而采用風冷散熱，所有組件都能從中受益。

如果冷卻分析只關注發熱芯片，那么冷卻方法可能對它們有效，但對周圍發熱的組件則不足。在缺乏空氣流通的情況下，發熱的芯片可能會變成過熱的芯片。那么，這是否意味著它們也必須采用液冷呢？也許是，但并非必然如此。

電路板整體交互

電路板上任意一點的溫度取決于各個組件產生的熱量以及散熱方式。熱量產生通常取決于組件的負載。因此，散熱才是真正需要調整的參數，因為降低負載是最后的手段，會降低電路板功能的效用。

散熱會受到相鄰發熱源的影響。例如，如果 HBM 內存堆疊與發熱的 GPU 相鄰，其散熱難度會比沒有 GPU 時更大。對電路板進行整體分析時，應考慮這些組件之間的相互作用，以確定合適的空氣流通方案。

Synopsys 產品營銷總監 Marc Swinnen 表示：“在進行溫度分析時，我們可以計算出芯片的功率（瓦特）。但瓦特是一個速率，而不是溫度。因此，實際產生這種熱量速率的溫度取決于環境。但這有點像先有雞還是先有蛋的問題，因為芯片的功率取決于其溫度，而溫度又取決于功率，所以需要反復計算幾次。”

因此，關鍵問題在于所有冷卻裝置是否都是為特定電路板量身定制的，還是有些芯片在采購時就已經集成了冷卻系統。專為液冷設計的芯片可能在制造過程中就已單獨安裝了冷卻裝置。諸如冷板之類的技術可以在電路板組裝過程中安裝，并根據特定電路板進行定制，但例如直接沖擊式冷卻則需要能夠暢通無阻地接觸到硅芯片。如果在芯片制造完成后再進行冷卻，則會使硅芯片在晶圓廠和組裝廠之間暴露于損傷或雜質之中。

在這種情況下，散熱裝置的安裝可能僅基于芯片自身的散熱特性，而忽略了周圍組件的影響。購買此類裝置的用戶雖然可以放心芯片的散熱性能符合規格，但對于相鄰組件的散熱情況卻無從得知。

其他散熱方案

電路板熱分析可以識別出那些未采用液冷但存在過熱風險的組件。在這種情況下，現有的散熱技術無法達到完全液冷的效果。“在沒有強制風冷的情況下，仍然有很多技術可以利用，”Tharp 指出。

有些技術涉及液體，但液體是獨立存在的。例如，蒸汽室和熱管。

均熱板利用小體積內的對流，使液體接觸芯片封裝的頂部。液體蒸發并上升到該體積的頂部，在那里與外部冷板相互作用，冷板將蒸汽冷卻并重新凝結成液體。對流使液體和蒸汽持續流動，從而有效地散熱。

熱管看起來幾乎和液冷系統一樣。它們也使用液體，但缺乏完整的液冷系統所需的龐大冷卻基礎設施。它就像一個迷你版的液冷裝置。其原理很簡單，就是將芯片（尤其是空間狹小、難以添加其他散熱裝置的芯片）產生的熱量轉移到其他地方，以便更有效地散熱。這種轉移是由產生的熱量驅動的，所以它并不是永動機。

Synopsys公司SoC工程高級工程師Satya Karimajji表示：“內部的冷卻劑在蒸發器側吸收熱量后會相變成蒸汽。蒸汽從蒸發器流向冷凝器。在冷凝器中，散熱器或風扇會帶走蒸汽的熱量，然后蒸汽冷凝，冷凝后的液體通過毛細作用送回封裝。”

這些技術最初是為不同類型的系統而發明的。“熱管和均熱板通常用于筆記本電腦或手機等小型設備，”卡里馬吉說道。但它們的應用范圍可能會進一步擴大。

有些情況下可能不需要如此復雜的裝置。散熱片通常通過氣流散熱，但即使沒有氣流，設計良好的散熱片也能通過提供更大的散熱表面積來改善冷卻效果。

在電路板空間允許的情況下，一些工程師會在電路板上安裝小型風扇以提供額外的氣流。這些風扇可能會占用相當多的空間，而且它們的位置對于確保相關組件獲得充足的氣流至關重要。如果將空氣排出電路板外部就足夠了，那么這種方法或許可行。但如果需要進一步將空氣從電路板外部排出，則需要重新安裝之前在液冷散熱過程中移除的空氣流通系統。

旋轉風扇通常體積較大，雖然小型版本或許可以安裝在電路板上，但對于空間極其受限的系統，例如智能眼鏡，則根本無法安裝。此外，它們通常噪音也比較大。

另一種方法是將微機電系統 (MEMS) 單元放置在發熱的芯片上，使其充當微型風扇。這種單元有兩個端口，一個用于進氣，另一個用于排氣。安裝在芯片封裝頂部時，預留的支架區域為風扇和芯片之間的空氣流通提供了空間；或者，也可以使用側面通風的型號，無需支架即可直接安裝在芯片上。

圖 2：兩種將 MEMS 風扇放置在芯片頂部的方式。在頂部安裝方式中，支架在芯片下方留出空間，使空氣能夠橫向流動，甚至向上從頂部通風口排出。采用側面通風口時，則無需支架。來源：xMEMS

xMEMS的這款產品源自原有的揚聲器業務。MEMS揚聲器通常利用壓電效應，通過改變信號的電壓來驅動振膜，進而帶動空氣運動。我們感知到的空氣運動就是聲音。“我們使用壓電元件作為致動器，硅材料作為振膜，”xMEMS市場營銷和業務發展副總裁Mike Housholder表示，“根據驅動MEMS的諧振頻率以及對超聲波的調制方式，我們可以產生音頻，也可以產生氣流。”

同樣的原理可以制造出一種以恒定或可變速度運轉的風扇，但它不像揚聲器那樣具有調制功能。配套的專用集成電路芯片驅動壓電元件振動，振動帶動空氣通過端口流動。空氣可以雙向流動——從底部進入，從頂部排出，或者反之亦然。例如，可以使其沿一個方向流動用于冷卻，而沿相反方向流動用于清潔。

“系統處理器通過I2C指令在ASIC芯片中設置氣流方向，”Housholder說道。“氣流方向可以隨時改變，氣流速率也可以實時動態調節。氣流由電壓控制。電壓升高，氣流增大；電壓降低，氣流減小。”

比普通風扇更安靜

考慮到這項技術的音頻淵源，值得注意的是，其頻率在千赫茲范圍內，通常遠低于電路板上任何元件的頻率。需要極高的泛音才能干擾任何電子設備。而且，風扇頻率與芯片頻率之間相差六個或更多數量級，如此巨大的頻率差使得任何可察覺的泛音都難以產生影響。

風扇的另一個常見問題是噪音。人類的聽覺范圍在千赫茲以內，但這款風扇的運行頻率超過40千赫茲，是人類通常能聽到的最高頻率的兩倍。因此，它運行起來非常安靜。

“在3厘米處沒有機械噪音，”豪斯霍爾德說。“我們的噪音特征，也就是氣流聲，只有18分貝（dBA），人耳聽不到。”（dBA是根據人耳的聽覺響應特性加權的分貝值。作為對比，輕聲細語的音量約為30分貝。）該公司還聲稱，他們的產品不受外部振動的干擾。

為了確保空氣能夠到達正確的位置，可能還需要采取一些額外的措施。“以固態硬盤（SSD，該公司支持的一種應用）為例，我們使用金屬屏蔽罩——有點像射頻電磁干擾屏蔽罩，”Housholder說道。“它也可以是塑料的——材質并不重要。我們引導氣流流經屏蔽罩下方的所有芯片。根據風道或氣流通道的設計，我們可以從外部或系統的其他位置吸入冷空氣。”

xMEMS公司正在研究利用這項技術冷卻HBM堆疊芯片，但它無法冷卻堆疊芯片的頂部。一種可能的替代方案是冷卻側面。這有助于冷卻堆疊芯片中中間的芯片，因為中間的芯片是最難冷卻的。

MEMS冷卻器可以安裝在芯片上或電路板上。該公司甚至可以將其制成芯片級組件，并封裝在先進的封裝中。然而，要實現這一點，需要將金屬蓋更換為硅蓋，并且先進的封裝還需要配備進氣口和出氣口。

主動式散熱器

該公司還在探索一種名為“主動式散熱器”的技術，即將風扇安裝在散熱器頂部。大多數散熱器必須在鰭片或針腳之間留出足夠的空間，以保證正常的空氣流通。這就引出了背壓的概念，背壓表示氣流受到的阻力大小。對于傳統風扇來說，背壓很低，但對于微型風扇來說，由于它直接對著散熱器頂部吹風，背壓要高得多。這意味著散熱器可以使用更密集的針腳陣列來增加表面積，從而提高散熱效率。

“我們利用背壓優勢，使空氣在狹小空間內流動，”豪斯霍爾德解釋說。“這樣可以精準地將冷卻力集中到特定的熱點區域，而風扇則更像是大范圍的氣流吹拂。”

尺寸為 9 × 7 毫米2，厚度為 1 毫米。價格在 5 到 10 美元之間。它們最初是為智能手機和 AR 眼鏡設計的，這些產品或許能夠接受這個價格，但對于一些價格不斷上漲的消費品來說，銷售可能會比較困難。它們首次涉足數據中心領域是在固態硬盤 (SSD) 中。

它僅適用于發熱量適中的組件。“微冷卻可以對功率在 15 到 18 瓦以下的系統產生影響，”Housholder 說。“這取決于具體的系統散熱架構。”

有些未散熱的芯片需要散熱

如果改用液冷，或者即使未散熱的系統發展到需要散熱的地步，也需要進行全板分析，以確定哪些芯片發熱、溫度適中或散熱良好。

數據中心內，發熱芯片通常采用液冷散熱。在數據中心之外，人們不太可能遇到液冷基礎設施，因此，在現有技術條件下，微型風扇可以幫助冷卻功耗不超過 20 瓦的發熱芯片。如果功耗超過 20 瓦，且沒有真正的液冷散熱，那么如果氣流不足，則可能需要采取措施來降低芯片的發熱量。

以前無需額外散熱的發熱芯片，現在可能需要散熱片、均熱板、熱管或局部風扇。低溫芯片也會升溫，但仍應在其預期的工作范圍內運行。

隨著越來越多的系統采用液冷散熱，以及功耗水平的提高，對于那些需要輔助散熱但無需完全液冷的芯片來說，可能會出現更多選擇。無論何時可用散熱方案如何，部署這些方案始終需要進行全面的電路板分析。

https://semiengineering.com/liquid-cooling-drives-other-localized-cooling/

（來源：semiengineering）

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