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iNEMI——不断增加的热管理挑战
添加时间: 2016-1-29 点击次数: 632 次 [点此返回]

iNEMI——不断增加的热管理挑战


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。
通信产品
根据iNEMI路线图的定义,通信产品包括网络、电信和数通设备,这些设备共同组成通信网络。未来通信设备将发生巨大变化,将面临尺寸进一步变小、热管理解决方案可靠性更高等需求。通信设备制造商必须关注从最基础硅片到整个设备的冷却问题,包括户外安装等整套解决方案。未来的设备将会遇到每个节点几百千瓦功率消耗和散热的问题,由于设备占地面积有限,这一趋势将体现在热流量的剧增上。
通信产品正越来越依赖光电技术,无论是主动式还是被动式光电部件都需要更为严格的温度控制,温度变化是波长漂移和影响激光源输出功率的主要原因。无论是在组装或运行使用环节,都需要充分重视管理光电部件的热行为。在封装和组装过程中,必须控制作用在部件上的温度,以确保封装偏位和光性能退化的最小化,在该阶段主要的问题是材料之间的热膨胀系数(CTE)不匹配。将光电部件组装到PCB上时,使用其它焊接方法,如选择性激光焊接,将有助于解决封装偏位问题。
在使用阶段,可以在光电模块上安装合适大小的散热器,然后在散热器上安装热电子冷却器(TEC),从而实现光电模块的温度控制。由于封装成本高和散热部件的效率较低,所以整个热管理策略的成本较高,另外光电部件的可靠性也通常受限于TEC的可靠性。综上所述,传统的TEC在成本效率上不适于新的应用。
在设备级散热方面,影响热管理效率的主要障碍是设备的冷却风道规划(设备进风口和排风口的位置)与安装机房的最佳热—冷风道设计走向不一致。正确地配置将有助于避免设备内的冷热空气混合,会提高整个散热效率,实现可接受的热密度。
在电信机房、数据中心和室外,风扇噪音也是电信服务商关心的主要问题。在许多场合,人一天8小时处于一定级别的噪音环境下将会导致听力丧失。
2004年,电信机房中的电子设备主要采用风冷散热,但已经有设备开始采用柜式水冷散热了。在这些机柜中要有带冷却器的水冷系统,可大大减少房间空调,而且它与服务器冷却系统是隔离的。也许今后将用液体冷板对CPU进行直接水冷。
在室外条件下,决定机柜温度的主要因素包括设备散热(内部载荷)、设备设计(风道设计)、室外条件(外部设计)和机柜设计(机壳、热交换器)等。也许可以采用一种“内部热载荷”的参数,室外机柜制造商会声明机柜能支持的最大设备热耗,这样内部机柜温度就必须控制在最大设备运行温度范围内。这种方法可以让设备测试和实际安装测试分开。
便携式系统
这部分包括成本低廉、产量大、寿命要求相对较短的产品,它们不大可能用先进的冷却方法。由于电池限制,其功率耗散很小,手持式电子产品目前还没有遇到较大的散热问题,因为手持式产品的大多数散热问题是与一些部件的热扩散有关(如手机所用的功率放大芯片高达2W的功
耗)。
大多数功耗是在功率放大器上,有的器件尺寸只有1mm2 但功耗约 0.6W。所以,便携式产品的热管理问题主要与将热从这些元器件处扩散出去相关。解决方案一般是将热扩散(使用热过孔)到系统中的散热金属块或热扩散板上。有些情况下,是扩散到微热管上。未来,塑封电池可能出现功率是目前的两倍或三倍的技术突破,同样,如果“无线浏览”成为主流,可能需要更高的功率,那时将需要更多的热管理技术。
汽车电子 汽车电子产品热管理面临的需求比大多数其它电子部件更多。它们必须在恶劣环境下运行,因此提出了特别封装和冷却上的挑战。环境温度可达90~125℃,在引擎罩下应用的温度更高。另外它也可能暴露在腐蚀性流体中。未来,热管、相变材料(PCM)、液体冷却技术的使用和更为高效冷凝器的应用,都将很大程度上取决于那些已证明是可靠的、低成本的技术的发展。
在汽车启动和运转及随后的高温冲击(高温冲击是由于长时间运转,然后在一个限制空气流动的环境下停车的环境所造成的)环境过程中,引擎罩下应用的最大周围温度可高达165℃。数字和模拟IC,目前在某些应用场合下允许的最大运行结温可达150℃,功率器件的运行结温可高达175℃,可允许瞬间200℃。引擎罩下和车身内部的汽车环境,要求电子模块必须在传动液、制动液、动力操舵液、氮氧化物、盐雾、引擎冷却液、油脂、高达100%湿度等级,以及有时短暂浸在水中等环境条件下可靠运行。
Hybrid/EV和启动装置/发电机控制装置需要耗散的热能是其它常见汽车电子系统的10~100倍。这些将需要比今天大多汽车电子应用更为有效和复杂的冷却技术。
低成本的半导体器件和器件封装的技术发展,使数字/模拟器件在结温175℃、功率驱动器在200℃条件下可靠运转,大大地降低了许多汽车应用的热设计成本。封装解决方案必须保证结到壳、结到单板之间的热阻最小化。对于高性能热堆栈(1℃/W),目前每个芯片允许的成本范围是0.5~1美元(包括互连的总制造成本)。新的热管理观念将必须在实现同等或更高性能条件下,成本不变或下降。
可靠性需求
在电子工程师设计电子产品的同时,机械工程师将面临设计热解决方案的挑战。在一个封装内,热传导节点用来仿真热流和温度。计算机流体动力学(CFD)节点可以用来对封装组件周围和穿过内部的流体流动,以及从外露封装表面到流体的主要通道的关联压降和热传递情况进行仿真。另外有些CFD节点具有变化能力,这样就可以在对封装内部的热传导进行仿真的同时,对流体流动和冷却流体中的热传递进行仿真。
在过去的10多年间,为了改善问题定义和数据输入的图形化用户界面,特别是使用定制CFD节点仿真电子设备散热方面,业界有许多研究。然而,需要在减少定义封装外形和结构所耗费的时间,输入运行模型所需的相关预备数据方面做更多改善。需要实现CAD立体建模工具、EDA工具和CFD工具之间的无缝集成,这样就使热设计工程师可以用CAD立体建模生成数据和EDA生成数据,并将它们毫不费劲地导入有限元热传导仿真工具或CFD仿真工具。
结论和建议
所有产品类别都会遇到共同的热管理挑战,将热从集成电路耗散,同时保证可接受的结温的任务,对所有半导体和电子系统的设计者和制造业者都是一个重大挑战,系统热设计考虑的关键因素有芯片大小、功耗、节点温度和冷却空气温度。
随着硅片功率变大,为保持硅片温度在100℃以下,如果仍然使用空冷,则必须考虑低噪音和/或高运转所需的先进风扇技术工程,同时需要进一步发展优化散热器的设计和制造。即使有了这些技术的发展,为了满足日益增长的功耗需求,最终也必须考虑更为高效的冷却技术,如水冷(和直接浸入)。
为了改善性能和保持高可靠性(尽管各种新技术的产生都会增加复杂度),需要热设计适应更高热流量,实现更低的结温。组装和封装技术的发展要同时满足性能、功率、结温、封装外形和成本等领域的苛刻需求。业界必须开发将热从封装内部到封装表面/从印制电路板表面到冷却媒介的扩散和传递的方法。在模块/系统级,必须从设计上改善空气流动性能,并确保冷却流体要流过需要冷却的电子元器件。
新型和改良的热管理技术的不断发展,要求结合产业开发和聚集实际应用的高校研究两者的共同成果。需要进行热传递、热流体和热机械的研究,以发展新的技术,改善散热的可预见性和可靠性。在从高性能计算机到汽车电子等的应用领域,低成本、高热导率封装材料,如胶、导热膏和热扩散器等,需要得到进一步的应用开发。新型冷却技术,如高性能热管/蒸发室、热电子冷却、直接液体冷却和高性能空冷和空气动力学技术,和闭环空—液冷解决方案的发展一样,都需要进一步研究。
集成封装/产品的电、热和机械特征的先进模拟工具,在提供更为强大使用功能和减少界面不兼容的同时,要成为流体、温度和热机械测量的经验化工具,可以得到微冷却系统中局部和定点测量结果。为了达到这些目标,必须投入资源资助冷却技术的发展,提高大学/研究试验室的参与度,并与供应商建立更为紧密的工作关系。
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