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iNEMI——不斷增加的熱管理挑戰


為了確保未來10年供應鏈的領先地位,國際電子制造協會(iNEMI)每隔兩年都會發布一次全球電子業界的未來制造需求的發展路線圖。路線圖共包括7個產品類別的19項技術和基礎課題,其中的一個就是熱管理。

本文將重點闡述目前iNEMI路線圖中的熱管理部分,概述今天所用的各種熱控制技術和所面臨的挑戰,以及它們應如何滿足未來的發展需要等。本文也討論了一些主要應用領域的熱管理需求和未來10年的技術需求的變化情況。


熱管理綜述

在電子產品中,熱問題之所以引起關注主要有三個原因:總體功耗增加、熱流量增加,和芯片上存在非均勻發熱情況(熱點)。

芯片或元器件的功耗增加需要大大加強冷卻,以保證芯片或元器件處于可接受的溫度水平,這一點適用于所有產品。散熱器的尺寸增加是有限的,因為產品總體尺寸的發展趨勢是越來越小;冷卻空氣的流量也不會很大,因為留給風扇的空間有限;另外,業界有關噪音和電磁兼容(EMC)的標準也越來越嚴。這些因素的綜合作用推動我們必須進行重大技術突破,尋找到新興替代的冷卻解決方案。

還有,芯片熱流量的不斷增加也導致熱阻抗方面的挑戰,隨著熱流量的增加,從硅片到封裝表面的熱阻也會同步增加,就更寄希望于散熱器(或其它的二級解決方案,如液體系統的冷板或制冷系統的蒸發器)。非均勻功耗硅片的散熱需求將變得非常困難,除非采用更多的外部熱散布技術或新型的冷卻解決方案。

使用了幾十年的傳統散熱技術,已經發展接近其性能極限。新的技術和材料,包括微/宏熱管、液體冷卻及熱電子冷卻器等。在實際應用中,熱擴散器和界面將不得不需要進一步發展。熱管理技術將必須解決以下問題:

- 在較小的空氣壓差和不斷減少的空間條件下,將高熱流量

- 芯片/模塊所產生的熱帶走

- 將熱從相對較小的面積擴散到大面積散熱器或傳導平板上

- 高速、低壓電路的EMI要求條件下的散熱

- 增加空氣流速條件下的噪音管理

- 仿真和試驗的復雜工具

- 開發新的界面材料,以改善尺寸日益變小條件下芯片的熱傳導效果


成本考慮

需要平衡考慮成本和性能。好的冷卻解決方案就是用較低的成本實現散熱目的。尤其是對于成本敏感的產品,如臺式PC,它通常要求進行空氣冷卻,用強制空氣作用在散熱器上,以提高散熱性能。筆記本電腦通常采用熱管和風扇組合的散熱片實現冷卻,由于其冷卻效果有限,只適合于低功耗CPU應用。計算機服務器使用高性能的散熱器和冗余風扇來突破空氣冷卻的應用限制。液體冷卻的效率也較高,但由于其成本較高而未得到廣泛應用。目前,有一些高端的醫療電子部件使用液體冷卻。

每瓦功耗冷卻所需的成本隨著功耗的增加而增加。通常,一些計算機的冷卻成本不到產品成本的1%。在一些大型服務器上,冷卻成本會占到成本的3~5%。但是今天,隨著整個封裝尺寸和系統單元功能成本的不斷降低,使熱管理技術的成本越來越高了。


熱控制技術

下面將簡要概述目前正在使用的熱控制技術,同時闡述它們遇到的挑戰,以及滿足未來需求的發展方向。

熱擴散器 熱擴散器的作用是將熱從集中的芯片熱源擴散到更大的表面積上,從而被外部冷卻媒介帶走,這通常是由模塊殼蓋或散熱器來實現。為了適應更高的熱流量,可以使用更高熱導率的材料(如金剛石或石墨合成物)以改善熱擴散器。蒸發室已經作為熱擴散器使用,未來會有廣闊的前景。同樣地,兩相熱虹吸器、微熱管和MEMS液體循環泵的應用也會在將來逐漸增加。

熱界面材料 熱界面材料的作用是為相鄰表面(如芯片和殼蓋、芯片和熱擴散器)提供熱傳導路徑。目前使用的材料有:

- 含高熱導率粉末的環氧型材料

- 含高熱導率填充材料的彈性墊

- 含高熱導率填充材料的導熱油脂

- 焊料和低熔點合金

- 含高熱導率填充材料的蠟基相變化合物業界需要建立可靠和標準化的方法以評估熱界面材料性能,并區分材料的體積熱導率和界面熱阻(可能由于材料沿著表面的情況不同而存在)。然而,即使有標準化的方法,也很難將材料的體積熱導率(在受控表面用某種儀器測得)轉換成材料的有效熱特性,因為材料的實際特性取決于所對應表面的特性,而通常所對應表面各異。在使用條件下,應該參數化表述正常的工藝變異,以了解認識影響界面材料熱 性能的相關參數。


熱管 

熱管(如圖1所示)為高功能芯片的散熱提供了一個較低的熱阻通道。在大多數情況下,熱管可以將熱從元器件傳導到一個可以安置所需尺寸散熱器或系統內,空氣沒有被其它部件預熱。隨著功率耗散增加,熱管應用的優勢就越明顯。

蒸發室是熱管的另一種形式,它已經逐漸應用在產品中,從而實現擴散熱或降低從CPU到遠端熱交換部件之間的熱流量的目的。

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空氣冷卻 

對流空氣冷卻基本上成為了幾乎整個電子業界散熱的標準做法。由于它成本低廉,未來也會是散熱解決方案的選擇。為了適應未來功率劇增的趨勢,必須有重大技術發展以突破目前空氣冷卻存在的限制。當芯片熱流量在50W/cm2 的情況下,傳統的散熱器設計將變得非常大,就需要有其它的解決方案。高性能的散熱器設計、高鰭片密度和高比例鰭片不斷發展(如圖2所示),對該問題有所緩解。為了實現高性能散熱器設計,需要綜合使用系統風扇和主動散熱器風扇,以增強氣流速度和壓差等。然而,高速風扇的噪音問題必須得到解決。

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水冷 

對芯片進行直接水冷是效率較高的冷卻方式。隨著辦公系統產品的功率劇增,有必要再次使用水冷,就像2004年一款臺式PC采用兩個單相的水冷系統。對于臺式PC,采用創新的水冷技術的主要需求是由于價格便宜、可靠和占用系統的空間小。這種閉環式系統可以將所有的熱量經由空氣導入到一個空氣—水的熱交換器當中(如圖3所示)。過去,水冷應用于冷卻高性能電子模塊,現在服務器和電信設備已經開始采用柜式水冷,將來可用液體冷板(2004年就已經面世)直接水冷CPU。在該系統中并不需要冷凍水,但其它的發熱元器件不能連接到冷板,所以仍要以傳統的方式散熱——設備室用空調來處理大約50%的冷卻載荷。

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直接浸入式冷卻 

有些情況下,由于功耗劇增,無論如何改善界面材料,芯片到散熱器之間的內部溫升還是太大。在這種情況下,用絕緣液體直接浸入式冷卻芯片也許能解決。這種冷卻系統可以采取單相液體沖擊注入(如圖4左圖)、噴泉(增強型或不增強)或兩相液體噴淋(如圖4右圖)等冷卻方式。在一個封閉腔體對電子產品進行噴淋冷卻已經在軍工系統和超級計算機模塊中應用。

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亞環境和冷凝冷卻

為了提高大型服務器和工作站的系統性能,需要使CMOS處理器的工作溫度降低,為此可應用蒸發壓縮循環冷凝系統。目前技術研究發現芯片溫度每降低10℃,系統性能可提高2%。使用該技術,蒸發器可直接貼裝在處理器模塊上,其它硬件(如壓縮機、冷凝器和閥門等)通常會安裝在一個獨立的密閉空間中,并將其放在系統(工作站)底部或安裝在支架內(服務器)。使用這種技術,芯片溫度可以達到 -20~40 ℃。


熱電子冷卻 

熱電子冷卻器(TEC)可以提高電子模塊封裝的冷卻效果,從而減少芯片結溫或適應更高的功耗。它們還具有小巧、無噪音、沒有活動部件等優勢,另外也可以進行主動溫度控制。與蒸發—壓縮冷凝器相比,TEC可調節的熱流量大小有限,另外它的能效比(COP)要比傳統的冷凝系統低。TEC的COP取決于應用環境,但通常小于1,這意味著TEC所消耗的電能相當和/或大于元器件被冷卻的功率耗散。這些缺點主要是由于目前的制造材料和方法的局限所導致。所以,熱電子冷卻器目前僅應用在相對較低的熱流量的場合。為了改善熱電子冷卻器的性能,目前業界正在做大量的研究工作,如開發新的熱電子材料和薄膜冷卻器等,這將使電子冷卻器的應用更為廣泛。


特定產業的挑戰

每個產業的熱管理都面臨著特有的挑戰,以下是熱管理在主要領域中遇到的情況。

辦公室系統 辦公室系統設備大多采用空氣冷卻,然而日益增長的熱管理需求也暴露出空氣冷卻的弊端。不論是服務器、臺式機還是筆記本,功率更高、熱流量更高是總體趨勢,熱流量更高,包括非均勻發熱(熱點)使散熱的解決方案更為復雜。雖然從成本角度空氣冷卻是很好的選擇,但熱流量增加,使我們不得不要考慮其它冷卻方案。近年來出現幾種“新”的解決方案可以擴展補充空氣冷卻的能力。2005年,雙核處理器的出現可以減少zui大熱點的熱流量,其它的創新解決方案包括:

- 在臺式計算機上,實現熱管/散熱器的結合

- 蒸發室散熱器

- 金屬PCM熱界面材料

對于筆記本電腦,在不同固態電路之間,尤其是CPU封裝和散熱部件之間的熱擴散和熱傳遞,所用的傳熱材料和技術需要應對CPU的高功耗,為此,筆記本電腦通常使用熱管技術。常用熱管是直徑大于3mm的圓形管,其材料是銅,用水做工作介質。然而,CPU功率的不斷增加將要求熱管的直徑越來越大,除非應用更好的熱管技術。便攜式計算機強制風冷技術的另一個主要挑戰就是開發能產生足夠靜壓(以保證有足夠的空氣流穿過遠端熱交換器和平臺),同時噪音較小的風扇。另外也要解決風扇和遠端熱交換器的功耗、成本、尺寸和重量等問題。

無論采用何種辦公室系統的散熱技術,平衡熱控制需求、實現低成本和低噪音之間的矛盾會日益突出。


通信產品 

根據iNEMI路線圖的定義,通信產品包括網絡、電信和數通設備,這些設備共同組成通信網絡。未來通信設備將發生巨大變化,將面臨尺寸進一步變小、熱管理解決方案可靠性更高等需求。通信設備制造商必須關注從基礎硅片到整個設備的冷卻問題,包括戶外安裝等整套解決方案。未來的設備將會遇到每個節點幾百千瓦功率消耗和散熱的問題,由于設備占地面積有限,這一趨勢將體現在熱流量的劇增上。

通信產品正越來越依賴光電技術,無論是主動式還是被動式光電部件都需要更為嚴格的溫度控制,溫度變化是波長漂移和影響激光源輸出功率的主要原因。無論是在組裝或運行使用環節,都需要充分重視管理光電部件的熱行為。在封裝和組裝過程中,必須控制作用在部件上的溫度,以確保封裝偏位和光性能退化的zui小化,在該階段主要的問題是材料之間的熱膨脹系數(CTE)不匹配。將光電部件組裝到PCB上時,使用其它焊接方法,如選擇性激光焊接,將有助于解決封裝偏位問題。

在使用階段,可以在光電模塊上安裝合適大小的散熱器,然后在散熱器上安裝熱電子冷卻器(TEC),從而實現光電模塊的溫度控制。由于封裝成本高和散熱部件的效率較低,所以整個熱管理策略的成本較高,另外光電部件的可靠性也通常受限于TEC的可靠性。綜上所述,傳統的TEC在成本效率上不適于新的應用。

在設備級散熱方面,影響熱管理效率的主要障礙是設備的冷卻風道規劃(設備進風口和排風口的位置)與安裝機房的較佳熱—冷風道設計走向不一致。正確地配置將有助于避免設備內的冷熱空氣混合,會提高整個散熱效率,實現可接受的熱密度。

在電信機房、數據中心和室外,風扇噪音也是電信服務商關心的主要問題。在許多場合,人一天8小時處于一定級別的噪音環境下將會導致聽力喪失。

2004年,電信機房中的電子設備主要采用風冷散熱,但已經有設備開始采用柜式水冷散熱了。在這些機柜中要有帶冷卻器的水冷系統,可大大減少房間空調,而且它與服務器冷卻系統是隔離的。也許今后將用液體冷板對CPU進行直接水冷。

在室外條件下,決定機柜溫度的主要因素包括設備散熱(內部載荷)、設備設計(風道設計)、室外條件(外部設計)和機柜設計(機殼、熱交換器)等。也許可以采用一種“內部熱載荷”的參數,室外機柜制造商會聲明機柜能支持的zui大設備熱耗,這樣內部機柜溫度就必須控制在設備運行溫度范圍內。這種方法可以讓設備測試和實際安裝測試分開。


便攜式系統 

這部分包括成本低廉、產量大、壽命要求相對較短的產品,它們不大可能用先進的冷卻方法。由于電池限制,其功率耗散很小,手持式電子產品目前還沒有遇到較大的散熱問題,因為手持式產品的大多數散熱問題是與一些部件的熱擴散有關(如手機所用的功率放大芯片高達2W的功耗)。

大多數功耗是在功率放大器上,有的器件尺寸只有1mm2 但功耗約 0.6W。所以,便攜式產品的熱管理問題主要與將熱從這些元器件處擴散出去相關。解決方案一般是將熱擴散(使用熱過孔)到系統中的散熱金屬塊或熱擴散板上。有些情況下,是擴散到微熱管上。未來,塑封電池可能出現功率是目前的兩倍或三倍的技術突破,同樣,如果“無線瀏覽”成為主流,可能需要更高的功率,那時將需要更多的熱管理技術。

汽車電子 汽車電子產品熱管理面臨的需求比大多數其它電子部件更多。它們必須在惡劣環境下運行,因此提出了特別封裝和冷卻上的挑戰。環境溫度可達90~125℃,在引擎罩下應用的溫度更高。另外它也可能暴露在腐蝕性流體中。未來,熱管、相變材料(PCM)、液體冷卻技術的使用和更為高效冷凝器的應用,都將很大程度上取決于那些已證明是可靠的、低成本的技術的發展。

在汽車啟動和運轉及隨后的高溫沖擊(高溫沖擊是由于長時間運轉,然后在一個限制空氣流動的環境下停車的環境所造成的)環境過程中,引擎罩下應用的zui大周圍溫度可高達165℃。數字和模擬IC,目前在某些應用場合下允許的zui大運行結溫可達150℃,功率器件的運行結溫可高達175℃,可允許瞬間200℃。引擎罩下和車身內部的汽車環境,要求電子模塊必須在傳動液、制動液、動力操舵液、氮氧化物、鹽霧、引擎冷卻液、油脂、高達100%濕度等級,以及有時短暫浸在水中等環境條件下可靠運行。

Hybrid/EV和啟動裝置/發電機控制裝置需要耗散的熱能是其它常見汽車電子系統的10~100倍。這些將需要比今天大多汽車電子應用更為有效和復雜的冷卻技術。

低成本的半導體器件和器件封裝的技術發展,使數字/模擬器件在結溫175℃、功率驅動器在200℃條件下可靠運轉,大大地降低了許多汽車應用的熱設計成本。封裝解決方案必須保證結到殼、結到單板之間的熱阻zui小化。對于高性能熱堆棧(1℃/W),目前每個芯片允許的成本范圍是0.5~1美元(包括互連的總制造成本)。新的熱管理觀念將必須在實現同等或更高性能條件下,成本不變或下降。


可靠性需求

在電子工程師設計電子產品的同時,機械工程師將面臨設計熱解決方案的挑戰。在一個封裝內,熱傳導節點用來仿真熱流和溫度。計算機流體動力學(CFD)節點可以用來對封裝組件周圍和穿過內部的流體流動,以及從外露封裝表面到流體的主要通道的關聯壓降和熱傳遞情況進行仿真。另外有些CFD節點具有變化能力,這樣就可以在對封裝內部的熱傳導進行仿真的同時,對流體流動和冷卻流體中的熱傳遞進行仿真。

在過去的10多年間,為了改善問題定義和數據輸入的圖形化用戶界面,特別是使用定制CFD節點仿真電子設備散熱方面,業界有許多研究。然而,需要在減少定義封裝外形和結構所耗費的時間,輸入運行模型所需的相關預備數據方面做更多改善。需要實現CAD立體建模工具、EDA工具和CFD工具之間的無縫集成,這樣就使熱設計工程師可以用CAD立體建模生成數據和EDA生成數據,并將它們毫不費勁地導入有限元熱傳導仿真工具或CFD仿真工具。


結論和建議

所有產品類別都會遇到共同的熱管理挑戰,將熱從集成電路耗散,同時保證可接受的結溫的任務,對所有半導體和電子系統的設計者和制造業者都是一個重大挑戰,系統熱設計考慮的關鍵因素有芯片大小、功耗、節點溫度和冷卻空氣溫度。

隨著硅片功率變大,為保持硅片溫度在100℃以下,如果仍然使用空冷,則必須考慮低噪音和/或高運轉所需的先進風扇技術工程,同時需要進一步發展優化散熱器的設計和制造。即使有了這些技術的發展,為了滿足日益增長的功耗需求,也必須考慮更為高效的冷卻技術,如水冷(和直接浸入)。

為了改善性能和保持高可靠性(盡管各種新技術的產生都會增加復雜度),需要熱設計適應更高熱流量,實現更低的結溫。組裝和封裝技術的發展要同時滿足性能、功率、結溫、封裝外形和成本等領域的苛刻需求。業界必須開發將熱從封裝內部到封裝表面/從印制電路板表面到冷卻媒介的擴散和傳遞的方法。在模塊/系統級,必須從設計上改善空氣流動性能,并確保冷卻流體要流過需要冷卻的電子元器件。

新型和改良的熱管理技術的不斷發展,要求結合產業開發和聚集實際應用的高校研究兩者的共同成果。需要進行熱傳遞、熱流體和熱機械的研究,以發展新的技術,改善散熱的可預見性和可靠性。在從高性能計算機到汽車電子等的應用領域,低成本、高熱導率封裝材料,如膠、導熱膏和熱擴散器等,需要得到進一步的應用開發。新型冷卻技術,如高性能熱管/蒸發室、熱電子冷卻、直接液體冷卻和高性能空冷和空氣動力學技術,和閉環空—液冷解決方案的發展一樣,都需要進一步研究。

集成封裝/產品的電、熱和機械特征的先進模擬工具,在提供更為強大使用功能和減少界面不兼容的同時,要成為流體、溫度和熱機械測量的經驗化工具,可以得到微冷卻系統中局部和定點測量結果。為了達到這些目標,必須投入資源資助冷卻技術的發展,提高大學/研究試驗室的參與度,并與供應商建立更為緊密的工作關系。

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