芯片，太热了！

434 0 0

文章摘要

随着芯片集成度的提升和尺寸微缩，芯片功能和性能得到增强，但随之而来的是功耗和发热量增加，导致电力消耗和散热问题日益严重。这些问题不仅影响芯片性能和稳定性，还威胁整个电子系统的可靠性和使用寿命。在摩尔定律推动下，5G、AI、汽车电子等新兴市场对算力的需求不断增长，芯片集成度和功耗不断提高，散热挑战日益严峻。

目前，业内最流行的散热解决方案包括风冷、液体冷却技术，以及散热材料的使用和创新。热界面材料（TIM）用于填补器件间的空隙，排出空气，提供更好的热传导路径，降低界面热阻，提升散热效率。金属和陶瓷基导热材料，如铜、铝、氮化铝、氮化硅等，因其优异的导热性和电绝缘性，被广泛应用于AI芯片封装和高功率应用中。

风冷散热是将冷空气吹过散热器或直接吹向芯片表面，将热量转移到空气中。液冷技术通过液体作为传热介质，利用其高热容量和高导热性，迅速带走芯片产生的热量。热管技术通过相变原理进行高效导热，具有极高的导热效率，且体积小，重量轻。VC均热板在热管的基础上，通过二维或三维的相变过程，将热量分散导向外部，传热效率提高了20%-30%。散热器通过高效的热传导和辐射，将芯片产生的热量迅速散发到周围环境中。

除了上述散热技术，业界还在积极探索新的技术，如环路热管（LHP）、直接作用于芯片上的无水两相液冷技术、台积电的新专利、华为与厦大合作的金刚石热管理技术、xMEMS的Fan-on-Chip技术、普渡大学的芯片级两相冲击射流冷却技术、芯片自适应微流散热技术、相变冷却技术等。这些创新技术为解决芯片散热问题提供了新的思路和解决方案。

相变冷却技术特别适合高功率芯片的散热管理，如三星电子采用石蜡类相变材料，通过优化芯片封装结构，将石蜡材料直接集成在芯片封装内，显著提升了芯片的热稳定性和工作寿命。麻省理工学院（MIT）的研究团队开发了一种结合微通道和纳米颗粒增强相变材料的先进冷却系统，专门针对高功率密度芯片的散热需求。东京大学的研究人员开发了一种循环使用的相变冷却系统，应用于数据中心和超级计算机等需要长期稳定运行的高功率设备。

SK海力士开发了HBM MR-MUF热控技术，以应对存储器产品在人工智能时代下的高需求所带来的热量过高问题。这些技术的成熟和标准化将推动其在各行业的广泛应用，如数据中心、5G基站、消费电子产品等。随着科技的不断进步，相变冷却技术将成为未来电子设备热管理的重要组成部分，为实现更高效、更可靠的电子设备提供坚实的技术支撑。