芯片PCB板級熱仿真怎么做？從小米環形冷泵散熱系統說起

上海安世亞太

2022年1月18日 09:40

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導讀

作為一個業余的數碼產品愛好者，前不久關注到小米發布了它自研的環形冷泵散熱系統，充滿著好奇看了下這個“面向未來的散熱技術”。它本質上也是相變液冷技術，但克服了VC液冷的一些缺陷，這對搭載驍龍最新8系處理器的旗艦手機都是一個大福音，因為這個新技術提高了傳統VC的傳熱能力，這也就進一步降低了了SoC到手機的導熱熱阻。

本文從小米公司未來散熱技術說起，與熱設計工程師、電子工程師和機械結構熱工程師聊聊Ansys Icepak PCB板級熱仿真那些事。

一、環形冷泵概述

環形冷泵由蒸發器、冷凝器、補償腔以及蒸氣和液體管道組成，蒸發器處于手機主板熱源區域，當處理器等熱源高負載運行時，冷液蒸發為汽態，通過自然膨脹驅動氣流進入蒸氣管道。

當蒸汽流入冷凝器后，凝結成液，通過毛細力吸入液體管道進而回到補償腔為蒸發器進行冷液補給，如此循環，無需外加動力。

雖然相變原理與VC液冷相同，但由于結構不同，實際效果大不一樣。常規VC液冷由于無法汽液分離，所以向冷凝器移動的熱蒸汽和向蒸發器回流的冷液體相向運動，相互阻礙，在高負載情況下容易出現液體回流困難。

同時，環形冷泵由于特殊蒸汽管道設計，氣道阻力大幅降低30%，蒸汽流通更流暢，從而可以實現熱量定向遠距離冷端輸送，使最大傳熱功率提升100%。

此技術也是利用相變原理，融入了單向管道設計，稱之為特斯拉閥，其實看到第一眼很容易會想的是難道特斯拉汽車的什么新技術嗎？查了資料才知道，是科學家尼古拉特斯拉發明的，它巧妙在不需要任何開關就可以控制單向導通。小米這次應用此技術就保證了液體能夠到達SoC的發熱部位，而不讓吸熱蒸發的蒸汽反向流動。

通過這個技術小米手機mix4魔改版實測游戲降低了表溫5℃，對于手機行業表面溫度是很重要的，而對于汽車電子方面保證芯片的可靠性更為重要，特別是溫度方面。車規級的芯片相對消費級，從認證標準以及測試講更為嚴苛，而且車內環境溫度高，更是需要考慮各個芯片是否符合工作預期。

二、ADAS域控制器散熱設計

自動駕駛這兩年發展迅速，配套硬件產品的功耗也在不斷進步，從開始單一功能的ECU，需要多個ECU才能實現ADAS的功能，到集成多種功能的域控制器，特別是承載ADAS的域控制器，ADAS域 L2/L2+的設備現在也主要采用自然散熱的方式，產品頂部采用較長的散熱肋片，底部根據功耗的不同有產品也會有散熱肋片的設置。

ADAS域由于SoC計算量的不一樣，功耗差異明顯，特別是L4，體積限制的，甚至需要水冷才能滿足要求。現在自動駕駛AI芯片主要供應商有Mobileye、英偉達、華為和地平線等等，主流乘用車還是基于L2+域控，基本采用自然散熱方式。

那完整的散熱設計流程是怎樣的呢？

1、首先需要對冷卻方式進行評估，前期概念設計時硬件工程師給出總功耗，根據結構工程師給出的邊界，可以計算出熱流密度或體積功率密度，然后結果評估出采用何種散熱方式。接下來熱設計或硬件工程師，評估選用的主要芯片是否采用額外的散熱措施，具體根據工作溫度和實際功耗，以及Rja來推測結溫Tj，是否有超溫風險。一般來說SoC以及熱敏感原件如DDR，需要額外散熱措施，通過與散熱外殼接觸。

2、對于PCB元器件的布置，盡量讓主要大功耗元器件分散，熱敏感器件盡量遠離或者靠邊，元器件的擺放位置可以通過熱仿真找到最佳的位置，來保證最低的溫度分布。之后硬件工程師根據建議進行器件的初步擺放，結構工程師對主要芯片添加散熱凸臺。

3、當初步結構敲定后，就可以對整個“BOX“進行系統性散熱仿真，因為我們關注的是芯片的結溫，所以對于器件仿真還是可以用雙熱阻處理，并且PCB導入后期的詳細布線信息。對于散熱凸臺和器件之間，需要考慮添加界面材料，根據縫隙的保留大小來設置界面材料的厚度，不要超過1mm。然后對于頂部主要起散熱作用的散熱齒，需要根據實際邊界來設計它的齒間距，齒厚、基板厚度和齒高參數，以求得最佳結構方案。

4、產品與環境的熱交換除了對流換熱，輻射在自然對流中的占比也是比較多的，畢竟產品與環境可能存在著幾十攝氏度的溫差。對于散熱外殼的表面處理，盡量提高其表面的發射率，比如陽極氧化或者噴漆等等，在結合成本控制的同時盡量來提高產品的散熱效果。

樣件制作完成后，也需要做多輪的熱測試驗證，驗證表面處理、界面材料、功耗、環溫對芯片結溫的實際影響，將仿真與實驗數據做對比，review參數設置，并多做總結，形成一個閉環的設計思路，不斷提高熱設計水平。

三、Icepak板級熱仿真實操

熱設計當今常用的散熱軟件主要有Flotherm和Icepak，其中IcepaK可以求解異形的結構，而且它基于ANSYS FLUENT的求解器，有較好的精度，對于電子散熱仿真是一款非常專業的軟件。在汽車電子散熱仿真來說，由于車廠其他結構和電磁的仿真多使用ANSYS的其他軟件，為了統一習慣，也為了處理異形的CAD結構，icepak用于散熱仿真較為常見。但從易用性來說，Flotherm有一定的優勢，它需要更多繁瑣注意項，以及操作流程。

不光是汽車行業，這幾年芯片計算能力需求的飛速發展和對可靠性要求的日益提升，越來越需要高速PCB板以及大功率PCB板，這對前期的設計提出更高的要求，需要仿真加以驗證，甚至是需要熱電耦合仿真或者結構熱耦合仿真。對于PCB板級熱仿真，Icepak可以導入精確的布線，并通過metal fraction計算局部的導熱系數，這樣更好的得到一個貼合實際的結果。它還提供了各種熱阻模型，常用的雙熱阻模型，以及DELPHI模型，以及詳細模型。除此之外還包含各種宏命令，方便對于特定問題的求解，它也可與ANSYS workbench中其他模塊數據相關聯。

做板級熱仿真，首先第一步便是參數的收集。要知道所處的工作溫度（環溫），以及板子的尺寸大小、布置方向、器件的尺寸大小和在PCB板的相應的位置，是否有風或者其他外加散熱措施。除此之外，需要器件手冊的相關內容，RθJB和RθJC以及最大TjMax，前兩個熱阻參數是雙熱阻模型所必須的，最大結溫是為了驗證結果是否超溫。ECAD類型的PCB是ANSYS Icepak 中四種類型 PCB 中最詳細和準確的，它的走線和過孔的實際幾何形狀并未與 CFD 模型的其余部分一起網格化，它是通過從導入的跡線和過孔來計算各向異性的導熱率，在每個 CFD 網格單元中對跡線和過孔的影響進行建模，每個金屬層和絕緣層都是單獨建模的，從而保持高度的準確性。