液冷技术推动新型局部冷却方案兴起

核心要点

1. 从风冷切换至液冷后，未采用液冷的元器件可能出现过热问题。

2. 需对整块电路板或整个系统开展热学分析，确保原本温度达标的元器件持续处于正常工作温度。

3. 未配备液冷的元器件，或需采用其他替代性冷却技术。

液冷技术在高功率芯片（如图形处理器 GPU）的散热中表现出显著效果，但这也给周边其他芯片带来了热学难题 —— 这些芯片此前一直依靠为 GPU 散热的气流实现降温，而液冷方案的落地让这类气流不复存在，如何消散印刷电路板（PCB）上剩余的热量就此成为一大挑战。

散热不仅能让元器件按规格正常运行，还能保障电路板和元器件的可靠性。西门子数字工业软件创新路线图经理罗宾・博诺夫表示：“温度始终是衡量设备可靠性的首要指标，它并非直接导致故障的原因，故障的根源往往是后续产生的热机械效应。元器件升温后会发生形变，形变幅度过大便会出现破损，进而导致芯片的 C4 凸点等结构断裂，最终引发整个电路失效。”

风冷和浸没式液冷的散热范围可覆盖电路板的各个角落，而常规液冷则是针对性地为高热芯片降温。那些未纳入液冷方案的芯片，可能需要额外增加被动或主动散热装置，这也催生了微冷却理念 —— 让散热方案精准作用于有限区域，仅为一个或少数几个元器件实现降温。

（图 1：某电路板的热仿真图，图中可见强制气流从右上方向电路板吹入。若将风冷替换为液冷，图中蓝色和红色标识的芯片温度或会降低，但中间未配备液冷的芯片，温度可能升至红色预警区间。来源：新思科技）

失去气流散热后，需对电路板上所有元器件进行分析，排查潜在的新型热学问题，而目前已有可应对这类问题的替代方案。新思科技电子热完整性高级产品经理杰夫・撒普称：“在缺乏主动散热的情况下，可采用均热板、热管等替代技术解决散热问题。”

基础热学核算逻辑

传统的电路板散热以整板为单位，通过充足的气流保证板上所有元器件在规定温度范围内工作。要确定所需的气流通量，需先摸清所有热源的情况，以此确保散热效果达标。

撒普解释道：“要确定元器件的工作温度，需掌握其产热速率和散热速率，二者达到平衡时的温度，就是元器件的实际工作温度。”

一块电路板上通常会有少数几个主要热源，以及众多其他元器件。为便于分析，我们可粗略将元器件分为三类：需液冷散热的高热芯片；接近耐热阈值的中热芯片；离过热状态较远的低热芯片。以往的散热设计往往将重点放在高热芯片上，但对整板进行热性能仿真时，中热和低热芯片的产热影响也需纳入考量，且在风冷模式下，所有元器件都能从中受益。

若散热分析仅聚焦于高热芯片，对应的散热方案或许能满足其需求，却无法为周边的中热芯片提供足够散热。失去气流后，中热芯片很可能会变成高热芯片，这是否意味着这类芯片也必须加装液冷装置？答案是可能需要，但并非绝对。

整板元器件的热交互效应

电路板上任意一点的温度，均由各元器件的产热情况和散热方式共同决定。元器件的产热量一般与其工作负载相关，因此散热成为实际可调控的关键因素 —— 毕竟降低工作负载是最后的无奈之举，此举会削弱电路板的功能实用性。

元器件的散热效果还会受周边热源的影响，例如，紧邻高热 GPU 的高带宽存储（HBM）堆叠芯片，其散热难度会远高于独立放置时。对电路板进行整体热学分析时，需充分考虑元器件间的这类热交互效应，从而确定合理的气流供给方案。

新思科技产品营销总监马克・斯温宁表示：“开展温度分析时，我们能计算出芯片的产热功率，但功率是速率单位，并非温度单位。芯片在该产热功率下的实际工作温度，还会受外部环境影响。这是一个类似‘先有鸡还是先有蛋’的问题：芯片的产热功率取决于其温度，而温度又由产热功率决定，因此需要反复迭代计算才能得出准确结果。”

这就引出了一个关键问题：散热方案是为特定电路板量身定制，还是部分芯片在出厂时就已配备散热装置？为液冷设计的芯片，可能在生产阶段就单独安装了散热部件。冷板等散热装置可在电路板组装时加装，并根据电路板的具体情况定制，而直接冲击冷却等技术则需要无遮挡地接触硅裸片，若在芯片制造完成后、组装前的阶段再安装，极易造成硅片损坏或被杂质污染。

在这类情况下，散热装置的安装往往仅考虑芯片自身的热特性，忽略了周边元器件的影响。采购这类预装散热装置的芯片后，可确保芯片自身按规格运行，却无法保障周边元器件的温度处于正常范围。

多样化的补充散热方案

通过电路板热学分析，可识别出未配备液冷、但存在过热风险的元器件，针对这类元器件，可采用非全液冷的轻量化散热技术。撒普指出：“即便没有强制气流，目前仍有多种散热技术可供选择。”

其中部分技术虽也用到液体，但采用封闭式设计，均热板和热管就是典型代表。

• 均热板：利用小空间内的对流效应，让液体与芯片封装顶部接触，液体受热蒸发后上升至均热板上部，与外部冷板接触后冷却液化，通过持续的对流效应实现高效散热。

• 热管：外观和原理与液冷相似，同样借助液体散热，但无需液冷所需的复杂散热基础设施，相当于一套微型液冷装置。其核心作用是将芯片的热量（尤其是空间狭小、难以加装散热部件的密集区域内芯片的热量）转移至其他区域，实现更高效的消散，而热量的转移完全由芯片产热驱动，并非永动机式的无能耗运作。

新思科技片上系统（SoC）工程高级工程师萨蒂亚・卡里马吉介绍道：“热管内部装有冷却介质，介质在蒸发端吸收热量后汽化为蒸汽，从蒸发端移动至冷凝端；冷凝端的散热片或风扇将蒸汽的热量带走，蒸汽液化后，再通过毛细作用流回芯片封装处。”

这类散热技术最初为其他系统设计，卡里马吉称：“均热板和热管最初用于笔记本电脑、手机等薄型设备”，如今其应用范围正不断扩大。

部分场景无需如此复杂的散热装置，散热片就是简易选择。散热片通常依靠气流散热，但即便没有气流，设计精良的散热片也能通过增大散热表面积，实现一定的降温效果。

微型风扇散热

若电路板留有足够空间，工程师可在板上加装小型风扇补充气流。这类风扇会占据一定空间，且安装位置至关重要，需确保气流能精准吹向待散热的元器件。若仅需将热空气排出电路板，该方案即可发挥作用；但若需将热空气排出整个设备，则需要重新搭建风冷切换液冷时拆除的通风架构。

传统旋转风扇体积偏大，小型化版本虽可用于电路板，但无法适配智能眼镜等空间极度受限的设备，且这类风扇运行时还会产生噪音。

一种替代方案是在中热芯片顶部安装 ** 微机电系统（MEMS）** 微型风扇，该装置设有两个端口，分别用于进气和出气。将其安装在芯片封装顶部时，可通过支撑结构在风扇与芯片间留出气流空间；也可选择侧出风式设计，无需支撑结构即可直接安装。

（图 2：微机电系统风扇在芯片上的两种安装方式。上置式通过支撑结构在芯片下方留出侧向甚至向上的出风空间；侧出风式则无需支撑结构。来源：xMEMS 公司）

xMEMS 公司推出的这类微型风扇，由其扬声器业务技术迭代而来。该公司的微机电扬声器利用压电效应，通过信号的电压变化驱动振膜运动，进而推动空气流动，而空气的振动被人耳感知为声音。xMEMS 公司营销与业务发展副总裁迈克・豪斯霍尔德表示：“我们以压电材料为驱动部件，以硅片为振膜，通过调节微机电系统的谐振频率和超声波的调制方式，既能实现音频播放，也能产生气流。”

基于这一原理制造的微型风扇，可实现恒速或变速运行，无需像扬声器那样进行复杂的信号调制，由配套的专用集成电路（ASIC）驱动压电元件振动，进而推动空气从端口流出，气流方向可灵活切换 —— 既可从底部进风、顶部出风，也可反向运行，例如正方向运行用于散热，反方向运行用于清洁芯片表面。

豪斯霍尔德称：“系统处理器可通过集成电路总线（I2C）指令，在专用集成电路中设置气流方向，实现气流方向的实时切换，同时还能动态调节风量。风量由电压控制，调高电压则风量增大，调低电压则风量减小。”

低噪音优势

得益于音频技术的研发基础，这款微型风扇的工作频率处于千赫兹级别，远低于电路板上所有元器件的工作频率，即便产生超高次谐波，也难以对电子元件造成干扰；且风扇频率与芯片频率相差 6 个及以上数量级，谐波的能量微乎其微，完全无需担心干扰问题。

风扇的噪音问题也得以解决：人类的听觉范围在千赫兹级别，而这款微型风扇的工作频率超过 40 千赫兹，是人类听觉上限的两倍，因此运行时几乎无噪音。

豪斯霍尔德表示：“在距离 3 厘米的位置，完全听不到机械噪音，其噪音值仅为 18 分贝（dBA，为贴合人耳听觉特性的加权分贝值），属于人耳无法感知的范围。”（参考：轻声耳语的噪音值约为 30 分贝）。该公司还称，这款风扇能有效抵御外界振动的干扰。

为确保气流精准抵达散热区域，还可采取一些辅助措施。豪斯霍尔德举例道：“在固态硬盘（SSD）这一应用场景中，我们会加装一个金属屏蔽罩，类似射频（RF）领域的电磁干扰（EMI）屏蔽罩，材质也可选用塑料。屏蔽罩的作用是引导气流吹过其下方的所有芯片，通过设计不同的风道，可从设备外部或系统其他区域吸入冷空气。”

目前 xMEMS 公司正研究利用该技术为 HBM 堆叠芯片散热，由于无法在堆叠芯片顶部加装风扇，可考虑从侧面进行冷却，这能有效解决堆叠芯片中最难散热的中层裸片降温问题。

这款微机电冷却风扇可安装在芯片或电路板上，甚至可制作成芯粒，集成至先进封装中。但要实现这一应用，需将芯片的金属盖板更换为硅盖板，且先进封装结构中需预留进出气端口。

主动式散热片

xMEMS 公司还在研发主动式散热片，即将微型风扇加装在散热片顶部。传统散热片的鳍片或针状结构之间需留出足够空间，以保证气流正常通过，这就涉及到背压概念 —— 背压指气流流动时受到的阻力。传统风扇的背压较低，而微型风扇可直接向散热片顶部吹风，背压远高于传统风扇，这意味着散热片可采用更密集的针状阵列，增大散热表面积，从而提升散热效率。

豪斯霍尔德解释道：“我们充分利用背压的优势，推动空气在狭小空间内流动，实现对特定热点的精准定向冷却，而传统风扇的气流则更为分散。”

这款微型风扇的尺寸仅为 9×7 平方毫米，厚度 1 毫米，单价在 5 至 10 美元之间。其最初为智能手机和增强现实（AR）眼镜设计，这类产品可承受该定价，但面向消费级产品市场时，推广难度会更大，尽管部分消费级产品的散热需求正不断提升。目前该产品首次进入数据中心领域，应用于固态硬盘的散热。

需要注意的是，该微型风扇仅适用于中等产热功率的元器件，豪斯霍尔德表示：“在产热功率 15 至 18 瓦的系统中，微冷却技术能发挥显著散热效果，具体效果还取决于系统的热学架构设计。”

无散热芯片的散热需求升级

无论是从风冷切换至液冷，还是原本无散热设计的系统因性能提升产生散热需求，都需对整板进行热学分析，区分高热、中热和低热芯片，再针对性设计散热方案。

• 在数据中心场景中，高热芯片一般采用浸没式液冷散热；在数据中心之外的场景，因缺乏液冷基础设施，依托现有技术，微型风扇可满足产热功率约 20 瓦以内高热芯片的散热需求；若芯片产热功率超过该阈值，且无真正的液冷方案加持，在气流散热不足的情况下，只能通过降低产热的方式解决问题。

• 原本无需额外散热的中热芯片，如今可能需要加装散热片、均热板、热管或局部风扇。

• 低热芯片的温度会有所上升，但仍能在设计的正常工作温度范围内运行。

随着越来越多的系统切换至液冷，且芯片功率持续提升，针对那些需要散热辅助、但无需全液冷方案的芯片，新的散热技术或将不断涌现。无论当下有哪些散热方案可供选择，要实现合理部署，对电路板进行全面的热学分析始终是必不可少的步骤。