iNEMI不断增加的热管理挑战

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iNEMiNEMI——不断增加的热管理挑战  4图

  为了确保未来10 年供应链的领先地位，国际电子制造协会（iNEMI）每隔两年都会发布一次全球电子业界的未来制造需求的发展路线图。路线图共包括7 个产品类别的19 项技术和基础课题，其中的一个就是热管理。
本文将重点阐述目前iNEMI 路线图中的热管理部分，概述今天所用的各种热控制技术和所面临的挑战，以及它们应如何满足未来的发展需要等。本文也讨论了一些主要应用领域的热管理需求和未来10 年的技术需求的变化情况。
热管理综述
   在电子产品中，热问题之所以引起关注主要有三个原因：总体功耗增加、热流量增加，和芯片上存在非均匀发热情况（热点）。
芯片或元器件的功耗增加需要大大加强冷却，以保证芯片或元器件处于可接受的温度水平，这一点适用于所有产品。散热器的尺寸增加是有限的，因为产品总体尺寸的发展趋势是越来越小；冷却空气的流量也不会很大，因为留给风扇的空间有限；另外，业界有关噪音和电磁兼容（ EMC）的标准也越来越严。这些因素的综合作用推动我们必须进行重大技术突破，寻找到新兴替代的冷却解决方案。
还有，芯片热流量的不断增加也导致热阻抗方面的挑战，随着热流量的增加，从硅片到封装表面的热阻也会同步增加，就更寄希望于散热器（或其它的二级解决方案，如液体系统的冷板或制冷系统的蒸发器）。非均匀功耗硅片的散热需求将变得非常困难，除非采用更多的外部热散布技术或新型的冷却解决方案。
使用了几十年的传统散热技术，已经发展接近其性能极限。新的技术和材料，包括微/宏热管、液体冷却及热电子冷却器等。在实际应用中，热扩散器和界面将不得不需要进一步发展。热管理技术将必须解决以下问题：
- 在较小的空气压差和不断减少的空间条件下，将高热流量
- 芯片/模块所产生的热带走

- 将热从相对较小的面积扩散到大面积散热器或传导平板上
- 高速、低压电路的EMI 要求条件下的散热
- 增加空气流速条件下的噪音管理
- 仿真和试验的复杂工具
- 开发新的界面材料，以改善尺寸日益变小条件下芯片的热传导效果
成本考虑
需要平衡考虑成本和性能。好的冷却解决方案就是用最低的成本实现散热目的。尤其是对于成本敏感的产品，如台式PC，它通常要求进行空气冷却，用强制空气作用在散热器上，以提高散热性能。笔记本电脑通常采用热管和风扇组合的散热片实现冷却，由于其冷却效果有限，只适合于低功耗CPU 应用。计算机服务器使用高性能的散热器和冗余风扇来突破空气冷却的应用限制。
液体冷却的效率也较高，但由于其成本较高而未得到广泛应用。目前，有一些高端的医疗电子部件使用液体冷却。
每瓦功耗冷却所需的成本随着功耗的增加而增加。通常，一些计算机的冷却成本不到产品成本的1%。在一些大型服务器上，冷却成本会占到成本的3～5%。但是今天，随着整个封装尺寸和系统单元功能成本的不断降低，使热管理技术的成本越来越高了。
热控制技术
下面将简要概述目前正在使用的热控制技术，同时阐述它们遇到的挑战，以及满足未来需求的发展方向。
热扩散器热扩散器的作用是将热从集中的芯片热源扩散到更大的表面积上，从而被外部冷却媒介带走，这通常是由模块壳盖或散热器来实现。为了适应更高的热流量，可以使用更高热导率的材料（如金刚石或石墨合成物）以改善热扩散器。蒸发室已经作为热扩散器使用，未来会有广阔的前景。同样地，两相热虹吸器、微热管和MEMS 液体循环泵的应用也会在将来逐渐增加。
热界面材料热界面材料的作用是为相邻表面（如芯片和壳盖、芯片和热扩散器）提供热传导路径。目前使用的材料有：
- 含高热导率粉末的环氧型材料
- 含高热导率填充材料的弹性垫
- 含高热导率填充材料的导热油脂
- 焊料和低熔点合金
- 含高热导率填充材料的蜡基相变化合物
业界需要建立可靠和标准化的方法以评估热界面材料性能，并区分材料的体积热导率和界面热阻（可能由于材料沿着表面的情况不同而存在）。然而，即使有标准化的方法，也很难将材料的体积热导率（在受控表面用某种仪器测得）转换成材料的有效热特性，因为材料的实际特性取决于所对应表面的特性，而通常所对应表面各异。在使用条件下，应该参数化表述正常的工艺变异，以了解认识影响界面材料热性能的相关参数。热设计 https://www.resheji.com
热管
热管（如图1 所示）为高功能芯片的散热提供了一个较低的热阻通道。在大多数情况下，热管可以将热从元器件传导到一个可以安置所需尺寸散热器或系统内，空气没有被其它部件预热。随着功率耗散增加，热管应用的优势就越明显。
蒸发室是热管的另一种形式，它已经逐渐应用在产品中，从而实现扩散热或降低从CPU 到远端热交换部件之间的热流量的目的。
空气冷却
对流空气冷却基本上成为了几乎整个电子业界散热的标准做法。由于它成本低廉，未来也会是散热解决方案的首选。为了适应未来功率剧增的趋势，必须有重大技术发展以突破目前空气冷却存在的限制。当芯片热流量在50W/cm2 的情况下，传统的散热器设计将变得非常大，就需要有其
它的解决方案。高性能的散热器设计、高鳍片密度和高比例鳍片不断发展（如图2 所示），对该问题有所缓解。为了实现高性能散热器设计，需要综合使用系统风扇和主动散热器风扇，以增强气流速度和压差等。然而，高速风扇的噪音问题必须得到解决。
水冷
对芯片进行直接水冷是效率最高的冷却方式。随着办公系统产品的功率剧增，有必要再次使用水冷，就像2004 年一款台式PC 采用两个单相的水冷系统。对于台式PC，采用创新的水冷技术的主要需求是由于价格便宜、可靠和占用系统的空间小。这种闭环式系统可以将所有的热量经由空气导入到一个空气—水的热交换器当中（如图3 所示）。过去，水冷应用于冷却高性能电子模块，现在服务器和电信设备已经开始采用柜式水冷，将来可用液体冷板（2004 年就已经面世）直接水冷CPU。在该系统中并不需要冷冻水，但其它的发热元器件不能连接到冷板，所以仍要以传统的方式散热——设备室用空调来处理大约50%的冷却载荷。
直接浸入式冷却
有些情况下，由于功耗剧增，无论如何改善界面材料，芯片到散热器之间的内部温升还是太大。
在这种情况下，用绝缘液体直接浸入式冷却芯片也许能解决。这种冷却系统可以采取单相液体冲击注入（如图4 左图）、喷泉（增强型或不增强）或两相液体喷淋（如图4 右图）等冷却方式。
在一个封闭腔体对电子产品进行喷淋冷却已经在军工系统和超级计算机模块中应用。
亚环境和冷凝冷却
为了提高大型服务器和工作站的系统性能，需要使CMOS 处理器的工作温度降低，为此可应用蒸发压缩循环冷凝系统。目前技术研究发现芯片温度每降低10℃，系统性能可提高2%。使用该技术，蒸发器可直接贴装在处理器模块上，其它硬件（如压缩机、冷凝器和阀门等）通常会安装在一个独立的密闭空间中，并将其放在系统（工作站）底部或安装在支架内（服务器）。使用这种技术，芯片温度可以达到-20～40 ℃。
热电子冷却
热电子冷却器（TEC）可以提高电子模块封装的冷却效果，从而减少芯片结温或适应更高的功耗。
它们还具有小巧、无噪音、没有活动部件等优势，另外也可以进行主动温度控制。与蒸发—压缩冷凝器相比，TEC 可调节的热流量大小有限，另外它的能效比（COP）要比传统的冷凝系统低。
TEC 的COP 取决于应用环境，但通常小于1，这意味着TEC 所消耗的电能相当和/或大于元器件被冷却的功率耗散。这些缺点主要是由于目前的制造材料和方法的局限所导致。所以，热电子冷却器目前仅应用在相对较低的热流量的场合。为了改善热电子冷却器的性能，目前业界正在做大量的研究工作，如开发新的热电子材料和薄膜冷却器等，这将使电子冷却器的应用更为广泛。
特定产业的挑战
每个产业的热管理都面临着特有的挑战，以下是热管理在主要领域中遇到的情况。
办公室系统办公室系统设备大多采用空气冷却，然而日益增长的热管理需求也暴露出空气冷却的弊端。不论是服务器、台式机还是笔记本，功率更高、热流量更高是总体趋势，热流量更高，
包括非均匀发热（热点）使散热的解决方案更为复杂。虽然从成本角度空气冷却是首选，但热流量增加，使我们不得不要考虑其它冷却方案。近年来出现几种“新”的解决方案可以扩展补充空气冷却的能力。2005 年，双核处理器的出现可以减少最大热点的热流量，其它的创新解决方案包括：
- 在台式计算机上，实现热管/散热器的结合
- 蒸发室散热器
- 金属PCM 热界面材料
对于笔记本电脑，在不同固态电路之间，尤其是CPU 封装和散热部件之间的热扩散和热传递，所用的传热材料和技术需要应对CPU 的高功耗，为此，笔记本电脑通常使用热管技术。最常用热管是直径大于3mm 的圆形管，其材料是铜，用水做工作介质。然而，CPU 功率的不断增加将要求热管的直径越来越大，除非应用更好的热管技术。便携式计算机强制风冷技术的另一个主要挑战就是开发能产生足够静压（以保证有足够的空气流穿过远端热交换器和平台），同时噪音最小的风扇。另外也要解决风扇和远端热交换器的功耗、成本、尺寸和重量等问题。
无论采用何种办公室系统的散热技术，平衡热控制需求、实现低成本和低噪音之间的矛盾会日益突出。