电子产品热治理现状和未来技能倾向思虑

援引英特尔在2010年半导体热管理会议上的数据（下图1），单芯片功耗在16nm工艺制程时已经达到了700W，热流密度乃至已经超过2.0W/mm^2。
这意味着为了达成温度目标（常日在100℃旁边），外部的散热手段要在数十度的温升条件下在硬币大小的面积上每秒钟转移数百焦耳的热量。

图1 不同工艺制程下Intel NOC芯片的功耗值

图2 不同工艺制程下Intel NOC芯片的功耗密度值

手机、平板电脑等可触摸类消费电子产品的综合热流密度虽然不高，但其温度设计空间小（常日在20℃旁边），散热手段受到空间、噪声、电磁旗子暗记等影响和限定，热设计难度也非常大。
受制于此，电子产品的热设计正迅速从数年前的绝不关注到现出全方位设计的方向演进。

可触摸类消费终端散热现状概述

热设计是一门运用型学科，热设计方案在产品中表示为热管理干系物料的选型、组合和摆放形式。
当热设计工程师节制了基本的温度掌握思路，产品温度表现实际取决于材料或散热部件的热物理性能。
随着产品的智能化和利用场景的繁芜化，热设计方案还包含软件掌握算法，使设备性能和产品散热能力之间建立匹配关系，确保温度和性能的平衡，但这不在本文的谈论范围内。

消费电子终真个散热目标包括但不限于如下两个：

表面温度不超温，担保触摸体验内部电子元器件温度合理、安全

产品表面温度很大程度影响了人体打仗感想熏染（粗糙度、硬度等也会影响），这种感想熏染取决于人体皮肤的布局，详细感想熏染取决于传入热流的速率对人体皮肤产生侵害的可能性。

表1 不同表面材质、不同连续触肤韶光下的烫伤温度阈值（℃）

人体本身是一个温度高度敏感的工具，哀求恒温在37℃附近。
其控温办法除了外部的衣物，内部是一个高度精密的相变液冷系统。
如下图所示，人体皮下组织中含有血管，血管内的血液能够起到转移热量的浸染，而皮下组织上方的真皮中则有大量的温度感想熏染器。
过高的温度和过低的温度都会使得人体性能紊乱。
当外部设备传入的热流人体无法经由皮下组织中的血管有效办理时，就表现为温度上升，真皮内的温度感想熏染器识别到这一旗子暗记，就反馈为疼痛，让人体有离开热源的冲动。

人体的这一反应有些类似于产品的降频或关机保护机制。
因此，人体对表面的烫感，与传入热流的效率、人体内部移热效率、表皮的厚度（不同部位的表皮厚度不同，而表皮内没有温度感想熏染器，相称于隔热层）有关，与被触碰表面的温度没有直接关系。
故而，不同材质的表面，纵然温度相同，人手触摸时烫感也有很大差异。

图4 人体皮肤布局的热设计解读

人体进化缓慢，并不会在短韶光内由于电子产品的温度掌握问题越来越难而适应更高的表面温度。
因此，表面温度的掌握，仍将是可触摸类电子产品的关键热设计寻衅。

从传热学角度入手剖析，电子产品的散热难度取决于内外两个成分：

内：产品发热量和温度掌握目标值外：可用的散热手段

以手机为例，内外两个方面的特点都决定了产品散热难度的逐年提高。
下图中展示的功耗趋势仅统计到2018年，其功耗最高约为5W，本色上，受限于空间和材料热特性，2021年主流的机型，其功耗上限仍旧在5W附近，但芯片实际功耗上限远不止5W，也便是说，从某种程度上讲，热设计技能限定了芯片性能的发挥。

图3手机热设计面临的寻衅：功耗增加，外不雅观哀求越来越高，散热空间愈加狭小

已知的热量通报办法就只有与热传导、热对流和热辐射三种（第四种传热办法理论刚刚被创造，纵然属实，其所作传热贡献在电子产品的运用处景中也微乎其微，本文忽略[5]）。
随着电子产品散热问题愈加突出，消费类电子产品的热设计呈现出立体化、材料的组合运用趋势。
以手机为例，其散热路径可简化如下图所示:

图4手机热流路径

我们以肃清某个面的局部热点这一问题为例，采取的手段有如下几种：

1) 利用高导热材料将局部热量扩散开，降落局部高温；

2) 利用隔热材料，阻挡热量通报到此方向；

3) 利用高导热材料，将热量拉往相反方向，间接降落通往此面的热流；

4) 利用储热材料，当热量不可避免地通报至此点时，延缓温度上升的速率

在消费电子终端产品中，这四种办法正在被组合利用。
散热物料明确地朝轻薄、高导热、高辐射率等方向发展。

手机的紧张发热源为中心处理器、功放芯片、电源管理芯片、摄像头模组等，热量相对集中且在不同场景下分布有极大差异。
内部热量只能通过前屏以及后壳散失落到空气中（四周面积较小，实际也有贡献）。
屏幕和后壳都是主要的人手打仗面，下图示意了常见的手机散热布局，通过掌握散热物料施加位置、施加面积以及和热源的结合办法，来掌握热量的通报方向和通报效率。

图5某品牌手机内部散热法案示意了当前手机中常见的散热物料：导热凝胶、石墨（烯）膜、均热板、铜箔等

手机、平板电脑等产品的现行热设计思路已经能找到大量资料，此处不再赘述。
为了战胜当前的功耗瓶颈，我想结合产品基本特色和传热学限定，提几点预想。
这些预想未必精确，且须要从材料、工艺、电子等多方面努力才可能实现，供行业学者、研发职员参考。

散热预想

1、散热外设

散热外设的出身源于智能设备在不同利用情境下散热需求差异极大。
我们仍以手机为例：录制视频时，摄像头模组热量很大，而运行游戏时，摄像头根本不事情但中心处理器功耗很高，但在浏览网页或处理文本信息时，全体手机的热量需求很小，待机状态下发热量更是微乎其微。

当工程师参考最恶劣的场景来设计手机时，要担保各个元器件在所有工况下温度都能受控，产品很可能会被做的非常笨重，但这些为极限工况准备的设计在大多数情形下都用不到。
散热外设的涌现比较有效地办理了这个难题：当在极限工况时，可以通过施加外部移热手段来赞助降落设备温度，不须要时，外设可以被方便地移除。

从热设计角度上看，散热外设实质上是空间和能量的外拓。
它利用原设备之外的空间和能量（许多时候还涉及到会产生噪音）来实现更强的温控能力。

目前，消费终端领域，散热外设基本分为三类：

1) 主动类：有风扇、泵、半导系统编制冷片等能耗部件，高效地转移热量，比如当前盛行的手机散热背夹，如图6所示；

2) 被动类：夹套、保护壳、支架等无能耗部件，通过利用材质本身的高导热系数或改变被保护产品本身的放置状态，来强化散热，如手机壳、条记本无风扇支架等，如图7、图8所示；

3) 稠浊类：既改变产品放置状态，又通过能耗部件促进散热，条记本电脑的带风扇散热支架是范例代表。

图6 某品牌手机散热背夹，包含风扇、半导系统编制冷片

图7 某品牌散热手机壳及其内部堆叠

热量通报效率受到材料热物理性子、空间尺寸、热量分布等影响，个中空间尺寸一定会被持续压缩，而热量的大小和分布也正趋向于使得散热问题更加难解的方向演进。
材料的热物理性子固然可以通过技能工艺来改进，但其涉及到根本原材料的进步，非常困难且缓慢。
其余，当材料热物理性子到一定程度，再去提升，对付改进综合散热效率的贡献会逐渐衰减。
有情由相信，散热外设是办理当前智能终端散热难题很现实的方向。
从技能上讲，散热外设由于利用了外部空间，其灵巧性大大提升，完备可以将过往的风冷、液冷履历再添补到外设中去考试测验。

2、进一步提高集成度，加大散热空间

提高集成度，对散热而言是一把双刃剑：一方面，它可以腾出空间，使得散热方案灵巧性增强，另一方面，它使得热量更加集中，扩散热阻对温度的影响变得更大。

自屏蔽封装(图8)、类载板技能、3D封装（图9）等都在尽可能提高电子元器件的集成度且已经大规模商用。
但类似于材料性能提升，其对散热的贡献也存在边际递减效应。
而且，即便不考虑其热量集中带来的温度恶化问题，其本身的技能进步对能够争取到的空间效益也在减小。
从热设计角度考量，这中间存在一个平衡点：提高集成度带来的散热空间被充分利用导致的散热优化幅度，刚好可以办理热量集中带来的温度恶化效应。

图8 自屏蔽技能带来的空间改进

图9 芯片封装技能带来的空间改进示意：左-传统PCB；中-2.5D硅通孔互联技能；右-3D封装

3、微通道冷却系统

在设备内部最靠近热源的位置建立微通道，在微通道内泵入循环流动的可控温流体被广泛认为是下一代热管理技能[11][12]。
利用导热界面材料（如导热凝胶、导热垫片、导热硅脂等）将发热源热量通报到外部的固体构造件上，固体构造件再将热量通报到空间中，是当前绝大多数电子产品的热管理办法（如图10所示）。

图10 常规热管理办法示意。
个中固态的构造件形态有很多种类型，如薄片、厚板、翅片状或针状散热器、水冷板等

可触摸类终端常日存在被移动属性，目前全部采取上述办法进行温度掌握。
从传热学的根本事理上剖析，任何环节都有传热热阻，热沉越靠近发热源头，热管理效率越高。
由于材料电阻、介电损耗、磁滞损耗的天然存在，元器件在处理信息的过程中将这些电能转化成了热量。
热量产生的位置并不是芯片的表面，而是有电流流利的位置，如晶体管上、键合线上、焊球上、PCB内部的导线上等。
电能的供给目前是通过导线在PCB内分配、传输的，将热量（或冷量）也参考类似的思路，集成到单板或元器件内部进行换热，无疑是一个极具研究代价的主题。

当前，随着封装技能和芯片制程工艺的演进，设备热量集中征象越来越明显，内部空间狭窄和极大的市场需求，使得热管和均温板行业被倒逼着在数年内从最薄的1mm进步到0.3mm，2016~2018年之间，热管和VC减薄工艺近乎数月就会有新的打破。
厚石墨烯的制造工艺也在近两年取得了打破。
但接下来呢？封装技能和芯片制程技能并未达上限，热量的集中程度会连续提高，而热管、均热板、石墨烯等目前被认为是最高效的热量转移部件制造工艺却已陷入瓶颈。
热设计要深度匹配半导体发展节奏，切入底层，开拓集成热路，是为半导体行业发展贡献热学聪慧的主要方向。

图11 微通道冷却或3D片上冷却

微通道流体冷却效率已经被实验证明很高[12]，但这是一个尚未被商业化的方向。
这种片上冷却，由于热路与电路太近，以至于很可能不得不进行热、电协同设计才能确保产品按照预期目标运行。
其大面积推广将建立在许多技能乃至科学问题被办理的条件之上:

1) 微通道的嵌入工艺：微通道将会贯通元器件，并在单板内部穿梭，和冷量供应部件结合，从工艺上实现这一构造，担保密封性和长期可靠性，并无先例；

2) 流体在微通道内的流动和传热状态：微流体力学已经建立了大量理论，但在芯片和单板内部，还存在反复高频交变的电磁场，其与流动的流体之间产生的相互影响，以及这种影响对换热效率、对旗子暗记处理带来的效应并不清晰；

3) 流体本身的物理性子：流体的导热系数、粘度、密度等热物理参数，以及导电率、介电常数、磁导率、介电损耗、磁滞损耗等电学性能设计，对微通道构造形态乃至微通道冷却系统的可行性有关键影响。

4、热池

相对电能，热量是一种品质更低的能量，其宏不雅观指标为温度。
低品位意味着外部许多形式的能量都可以自发地转换成热能，从而导致其在自然界普遍存在且更难掌握。
电的敏感性和可控性使得信息社会建立在高低电位的掌握逻辑之上。

自然界存在半导体，微量的杂质掺杂即可大幅改变材料导电性，但至今尚未创造热的半导体。
本文提出的热池，是相对电池而言的，虽然并不违背热力学第二定律，但结合当古人类电池技能的现状，它难度更大，更像是一种猜想。
热池功能的发挥乃至建立在微通道冷却技能被占领的根本之上，就像电池必须要有电能输运线路一样。
热池须要具备如下功能：

1) 能够在很小的体积内高效接管存储大量热量；

2) 能够在很短的韶光内开释出存储的热量；

3) 上述过程可以多次循环进行。

图12热池的观点

这些特性与已经在当前消费类终端中广泛利用的储热片基本相同，只是储热片的储热能力过低，不能称为热池。
我们仍以电学中的功能元器件来类比，储热片只能充当类似电容的功能，而非电池。

和电池类似，热池也并非适用于所有的消费终端，它只针对那些短韶光运用、可间歇性关断的设备。
搭载热池技能的产品，设备在事情时产生的热量被储存起来，在不被利用的时候则将热量开释。
热池技能遍及后，移动式电子产品可以充冷，成为战胜当前材料导热性、散热空间限定的另一办法。

写在文后

电子产品的热问题正在以前所未有的速率引起人们的重视。
本文简述了当前可打仗式消费电子产品的热管理现状和面临的限定，指出在当前的技能水平和设计框架下，手机等产品散热已达上限，难以应对持续攀升的热量。
结合传热学基本特色，作者以可实现性为序，提出了散热外设、提高集成度、建立微通道热管理系统和热池等几个思路方向，简述了各个方向面临的问题，为电子产品热管理技能研究供应参考。

仿真秀专栏作者 陈继良