詳解最新PCB冷卻技術(shù)

隨著消費(fèi)者對(duì)更小、更快要求的進(jìn)一步加強(qiáng)，在解決密度日益提高的印刷電路板（PCB）散熱問題方面出現(xiàn)了艱巨的挑戰(zhàn)。隨著堆疊式微處理器和邏輯單元達(dá)到GHz工作頻率范圍，高性價(jià)比的熱管理也許已經(jīng)成為設(shè)計(jì)、封裝和材料領(lǐng)域的工程師亟需解決的最高優(yōu)先級(jí)問題。

制造3D IC以獲得更高的功能密度已經(jīng)成為當(dāng)前趨勢(shì)，這進(jìn)一步增加了熱管理的難度。仿真結(jié)果表明，溫度上升10℃會(huì)使3D IC芯片的熱密度翻一倍，并使性能降低三分之一以上。

微處理器的挑戰(zhàn)

國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖（ITRS）的預(yù)測(cè)表明，在今后三年內(nèi)，微處理器內(nèi)難以冷卻區(qū)域中的互連走線將消耗高達(dá)80%的芯片功率。熱設(shè)計(jì)功耗（TDP）是評(píng)估微處理器散熱能力的一個(gè)指標(biāo)。它定義了處理器達(dá)到最大負(fù)荷時(shí)釋放出的熱量以及相應(yīng)的殼溫。

Intel和AMD公司最新微處理器的TDP在32W至140W之間。隨著微處理器工作頻率的提高，這個(gè)數(shù)字還會(huì)繼續(xù)上升。

擁有數(shù)百個(gè)計(jì)算機(jī)服務(wù)器的大型數(shù)據(jù)中心特別容易遭遇散熱問題。根據(jù)一些估計(jì)數(shù)據(jù)，服務(wù)器的冷卻風(fēng)扇（可能消耗高達(dá)15%的電能）實(shí)際上已經(jīng)成為服務(wù)器中及其本身的一個(gè)相當(dāng)大的熱源。另外，數(shù)據(jù)中心的冷卻成本可能占數(shù)據(jù)中心功耗的約40%至50%.所有這些事實(shí)對(duì)局部和遠(yuǎn)程溫度檢測(cè)及風(fēng)扇控制提出了更高的要求。

熱量管理挑戰(zhàn)在遇到安裝包含多內(nèi)核處理器的PCB時(shí)將變得更加艱巨。雖然處理器陣列中的每個(gè)處理器內(nèi)核與單內(nèi)核處理器相比可能消耗較少的功率（因而散發(fā)較少的熱量），但對(duì)大型計(jì)算機(jī)服務(wù)器的凈效應(yīng)是給數(shù)據(jù)中心的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)增加了更多的散熱。簡(jiǎn)言之，在給定面積的PCB板上運(yùn)行更多的處理器內(nèi)核。

另外一個(gè)棘手的IC熱管理問題涉及到芯片封裝上出現(xiàn)的熱點(diǎn)。熱通量可以高達(dá)1000W/cm2,這是一種難以跟蹤的狀態(tài)。

PCB在熱管理中發(fā)揮著重要作用，因此需要熱量設(shè)計(jì)版圖。設(shè)計(jì)工程師應(yīng)該盡可能使大功率元件相互間隔得越遠(yuǎn)越好。另外，這些大功率元件應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離PCB的角落，這將有助于最大化功率元件周圍的PCB面積，加快熱量散發(fā)。

將裸露的電源焊盤焊接到PCB上是常見的做法。一般來(lái)說(shuō)，裸露焊盤類型的電源焊盤可以傳導(dǎo)約80%的通過(guò)IC封裝底部產(chǎn)生并進(jìn)入PCB的熱量。剩下的熱量將從封裝側(cè)面和引線散發(fā)掉。

散熱幫手

設(shè)計(jì)工程師現(xiàn)在可以向許多改良的熱管理產(chǎn)品尋求幫助。這些產(chǎn)品包括散熱器、熱導(dǎo)管和風(fēng)扇，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)和被動(dòng)的對(duì)流、輻射和傳導(dǎo)冷卻。即使是PCB上安裝芯片的互連方式也有助于減輕散熱問題。

例如，用于將IC芯片互連到PCB的普通裸露焊盤方法可能會(huì)增加散熱問題。當(dāng)把裸露的路徑焊接到PCB上時(shí)，熱量會(huì)很快逸出封裝并進(jìn)入電路板，然后通過(guò)電路板的各個(gè)層散發(fā)進(jìn)周圍的空氣。

德州儀器（TI）發(fā)明了一種PowerPAD方法，能把IC裸片安裝到金屬盤上（圖1）。這個(gè)裸片焊盤將在制造過(guò)程中支撐裸片，并作為良好的散熱路徑將熱量從芯片中散發(fā)出去。

TI公司的模擬封裝產(chǎn)品經(jīng)理Matt Romig指出，TI的PowerStack方法是第一種可以堆疊高側(cè)垂直MOSFET的3D封裝技術(shù)。這種技術(shù)將由銅夾固定位置的高側(cè)和低側(cè)MOSFET整合在一起，并使用地電位的裸露焊盤提供熱優(yōu)化設(shè)計(jì)（圖2）。采用兩個(gè)銅夾連接輸入和輸出電壓引腳可以形成更高集成度的扁平方形無(wú)引線（QFN）封裝功率器件的熱量管理具有更大的挑戰(zhàn)性。更高頻率的信號(hào)處理和縮小封裝尺寸的需求使傳統(tǒng)冷卻技術(shù)逐漸邊緣化。Advanced Thermal Solutions公司總裁兼首席執(zhí)行官Kaver Azar建議使用帶水冷式微通道的嵌入式薄膜熱電器件。

Azar構(gòu)想了這樣一個(gè)解決方案：最大限度地減小散熱路徑中的最大熱阻--擴(kuò)散熱阻，方法是將一個(gè)散熱裝置直接綁定到微處理器裸片（圖3）。

這種方法可以將小型微處理器裸片上聚集的熱量發(fā)散到更大的散熱器基座上，然后再將熱量散發(fā)到周圍環(huán)境中。這種內(nèi)置強(qiáng)制熱擴(kuò)散器在硅封裝中整合了微通道和迷你通道。通道內(nèi)的水流速度大約為0.5至1升/分鐘。

仿真結(jié)果表明，在球柵陣列（BGA）封裝中的10×10mm裸片上，一個(gè)120×120mm的散熱器底盤面積可以產(chǎn)生0.055K/W的熱阻。使用熱導(dǎo)率等于或大于鉆石的散熱材料可以產(chǎn)生0.030K/W的熱阻。

Nextreme Thermal Solutions公司營(yíng)銷與業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁Paul Magill也推薦熱電冷卻技術(shù)，并宣稱應(yīng)從芯片級(jí)開始冷卻。該公司提供電子元件內(nèi)部深度的局部熱管理技術(shù)。該技術(shù)使用了名為熱泵的微型薄膜熱電（eTEC）結(jié)構(gòu)（圖4）。這種主動(dòng)散熱材料被嵌入倒裝芯片互連（如銅柱焊錫凸塊）供在電子封裝中使用。

在芯片晶圓、裸片和封裝級(jí)實(shí)現(xiàn)局部冷卻可以產(chǎn)生重要的經(jīng)濟(jì)效益。例如，在擁有成千上百個(gè)先進(jìn)微處理器的數(shù)據(jù)中心，這種方法的效率要比使用價(jià)格更高、體積更大的空調(diào)系統(tǒng)散熱高得多。

在像LED等一些器件中，組合使用被動(dòng)和主動(dòng)冷卻技術(shù)可以提高器件性能和壽命（圖5）。例如，在散熱器中使用風(fēng)扇通?？梢詫嶙铚p小到0.5℃/W,這與單獨(dú)使用被動(dòng)冷卻（散熱器）達(dá)到的典型10℃/W相比有顯著的改善。

重復(fù)仿真

熱量控制一直是而且還將繼續(xù)是實(shí)現(xiàn)更高IC性能的限制因素之一。在這些越來(lái)越小的IC及它們的封裝中，空間越來(lái)越寶貴，幾乎沒有空間留出來(lái)幫助冷卻。這迫使設(shè)計(jì)工程師考慮使用外部冷卻技術(shù)以及不斷改進(jìn)的新型冷卻材料。

不管怎樣，基本的前提仍然成立：設(shè)計(jì)工程師必須更多地關(guān)注熱力科學(xué)才能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的冷卻解決方案。整個(gè)過(guò)程應(yīng)從熱分析軟件開始，這遠(yuǎn)早于設(shè)計(jì)投入生產(chǎn)之時(shí)。

這正是仿真軟件工具入場(chǎng)的絕好時(shí)機(jī)。像明導(dǎo)資訊公司（Mentor Graphics）的Flotherm 3D V.9軟件工具等產(chǎn)品就能幫助3D IC設(shè)計(jì)工程師確定發(fā)熱量，并在熱問題發(fā)生時(shí)幫助他們解決。這種計(jì)算流體力學(xué)（CFD）產(chǎn)品提供了瓶頸（Bn）和捷徑（Sc）場(chǎng)的映像。這樣工程師就可以知道設(shè)計(jì)中哪里發(fā)生了熱流擁塞并確定發(fā)生的原因。

據(jù)明導(dǎo)公司機(jī)械分析事業(yè)部總經(jīng)理Erich Bürgel介紹，創(chuàng)新的Bn場(chǎng)可以表明設(shè)計(jì)的散熱路徑在哪里發(fā)生了擁塞，因?yàn)樗偸瞧髨D從高結(jié)溫點(diǎn)向周圍環(huán)境點(diǎn)流動(dòng)。Sc場(chǎng)強(qiáng)調(diào)了通過(guò)增加一個(gè)簡(jiǎn)單要素（如空隙焊盤或機(jī)箱突出物）創(chuàng)建一個(gè)新的高效熱流路徑的可能方法。

Flotherm 3D V.9支持導(dǎo)入XML模型和幾何數(shù)據(jù)，用于幫助該軟件集成進(jìn)數(shù)據(jù)流。Flotherm還能直接連接明導(dǎo)的Expedition PCB設(shè)計(jì)平臺(tái)。因此，用戶可以增加、編輯或刪除各個(gè)對(duì)象，如散熱器、熱過(guò)孔、電路板切塊和電磁罐等，以實(shí)現(xiàn)更加精確的熱建模。

有了熱仿真后，設(shè)計(jì)工程師無(wú)需建立和測(cè)試原型就能預(yù)測(cè)初始設(shè)計(jì)和后續(xù)設(shè)計(jì)的熱性能。諸如散熱片數(shù)量、散熱片厚度、散熱器底座厚度以及散熱界面材料的熱阻等設(shè)計(jì)變量應(yīng)加以考慮。

正確的熱模型對(duì)于計(jì)劃使用由薄裸片組成的邏輯和存儲(chǔ)器件的未來(lái)3D IC來(lái)說(shuō)非常重要，因?yàn)楸÷闫瑫?huì)顯著減少側(cè)向熱量擴(kuò)散。隨著裸片厚度的縮小，更高溫度的點(diǎn)將變得更加普遍。邏輯裸片上的熱點(diǎn)會(huì)造成存儲(chǔ)器裸片中的局部溫升，這可能會(huì)縮短DRAM數(shù)據(jù)保持時(shí)間。

比利時(shí)大學(xué)間微電子中心（IMEC）的研究人員已經(jīng)驗(yàn)證了用于下一代3D混合堆疊IC設(shè)計(jì)的正確熱模型。這些3D堆疊芯片非常像未來(lái)的商用芯片，由堆疊在商用DRAM之上的IMEC專有邏輯CMOS IC組成。堆疊是利用硅通孔（TSV）和微型凸塊實(shí)現(xiàn)的。這項(xiàng)研究工作是IMEC和合作伙伴富士通（Fujitsu）、Globalfoundries、Intel、美光（Micron）、松下（Panasonic）、高通（Qualcomm）、三星（Samsung）、索尼（Sony）和TSMC之間合作開展的。

IBM計(jì)劃在今后的3D IC處理器中使用微通道水冷技術(shù)，如準(zhǔn)備在2013年推出的Power8處理器（圖6）。IBM公司瑞士蘇黎世研究中心高級(jí)熱封裝部經(jīng)理Bruno Michel透露，高能效的熱水冷卻技術(shù)是IBM零排放數(shù)據(jù)中心概念的一部分。為了冷卻在幾乎相同空間內(nèi)比單個(gè)處理器產(chǎn)熱更多的3D堆疊芯片，使用水替代空氣可減少能耗。

PNY Technologies公司的XLR8 GTX 580 GeForce圖形卡中也采用了液體冷卻的CPU,這種圖形卡主要用于極具挑戰(zhàn)性的圖形密集型游戲產(chǎn)品。PNY還和CPU熱管理專業(yè)公司Asetek聯(lián)合生產(chǎn)一種提供給游戲迷和他們的GPU/CPU冷卻系統(tǒng)使用的產(chǎn)品。

這種組合設(shè)計(jì)采用了閉環(huán)系統(tǒng)和Asetek的密封水冷卻器，可以為消費(fèi)者提供直接可用、方便安裝的產(chǎn)品，價(jià)格是649.99美元。PNY宣稱新系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)參考設(shè)計(jì)的Nvidia GeForce GTX 580圖形卡相比可以在冷卻溫度、噪音和性能方面提升高達(dá)30%的幅度。

通過(guò)水冷進(jìn)行熱管理也被種類廣泛的功率器件所采用，如半導(dǎo)體閘流管、MOSFET和硅控整流器（SCR）。Ixys公司子公司W(wǎng)estcode Semiconductors開發(fā)的XW180GC34A/B就是一個(gè)很好的例子。這種鍍鎳散熱器具有127mm直徑的接觸盤，非常適合電極觸點(diǎn)直徑高達(dá)125mm的緊壓包裝器件使用。

典型的散熱器到輸入水熱阻在流量為10升/分鐘的情況下是4.3K/kW（兩個(gè)冷卻器加一個(gè)半導(dǎo)體器件）和5.6K/kW（三個(gè)冷卻器加兩個(gè)半導(dǎo)體器件）。散熱器可以有也可以沒有完整的連接總線條。

“冷卻器的典型應(yīng)用是迷你型兆瓦功率級(jí)器件和大功率整流器，比如在重工業(yè)應(yīng)用中，或用于電氣火車軌道旁的變電站，以及發(fā)電和配電應(yīng)用中。”Westcode公司營(yíng)銷與技術(shù)支持經(jīng)理Frank Wakeman表示，“這些冷卻器提供的高效冷卻功能可以幫助消費(fèi)者用更小的體積實(shí)現(xiàn)更高功率密度的系統(tǒng)?！?/FONT>