iNEMI——不断增加热管理挑战.docVIP

iNEMI——不断增加的热管理挑战 EMA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