隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和邊緣計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展，邊緣設(shè)備對(duì)算力的需求呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。AI芯片作為邊緣計(jì)算的核心組件，其高功耗特性帶來(lái)了嚴(yán)峻的散熱挑戰(zhàn)。如何在PCBA加工和SMT貼片工藝中設(shè)計(jì)高效散熱方案，成為保障設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。深圳PCBA加工廠-1943科技結(jié)合PCBA加工和SMT貼片技術(shù)，探討AI芯片散熱方案的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。
一、AI芯片散熱的核心問(wèn)題
AI芯片在邊緣計(jì)算設(shè)備中承擔(dān)復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理任務(wù)，其功耗可達(dá)數(shù)十瓦甚至上百瓦。熱量主要通過(guò)以下路徑傳導(dǎo)：
- 芯片→TIM（導(dǎo)熱界面材料）→封裝→PCB→散熱器
其中，PCB的散熱設(shè)計(jì)直接影響芯片結(jié)溫（Junction Temperature, TJ），而SMT貼片工藝中的元器件布局和PCBA加工中的銅箔設(shè)計(jì)則是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
二、PCBA加工中的散熱設(shè)計(jì)策略
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大面積銅箔與熱過(guò)孔設(shè)計(jì)
- 銅箔面積：根據(jù)知識(shí)庫(kù)中的研究，連接銅皮的面積越大，結(jié)溫越低。建議在AI芯片周圍鋪設(shè)大面積電源地銅箔，以降低熱阻。
- 熱過(guò)孔陣列：通過(guò)仿真驗(yàn)證，6×6的熱過(guò)孔陣列（間距1mm）可使結(jié)溫降低4.8°C，并顯著縮小PCB頂面與底面的溫差。熱過(guò)孔需貫穿多層PCB，增強(qiáng)垂直方向的熱傳導(dǎo)效率。
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IC背面露銅與散熱焊盤
在PCB背面設(shè)計(jì)露銅區(qū)域，直接接觸IC背面的散熱焊盤，減少銅皮與空氣之間的熱阻。此設(shè)計(jì)需結(jié)合PCBA加工中的精確鉆孔和電鍍工藝，確保散熱路徑暢通。
三、SMT貼片工藝中的散熱優(yōu)化
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元器件布局與熱分區(qū)
- 熱源分散：大功率AI芯片需遠(yuǎn)離熱敏器件（如小信號(hào)晶體管、電解電容），并分散布局以避免熱集中。
- 風(fēng)道設(shè)計(jì)：根據(jù)氣流方向，將大功率器件布置在PCB邊沿或頂部，利用自然對(duì)流或強(qiáng)制風(fēng)冷提高散熱效率。
- 熱檢測(cè)器件位置：溫度傳感器應(yīng)放置在AI芯片最熱區(qū)域，確保實(shí)時(shí)監(jiān)控與反饋。
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SMT貼片中的散熱面積估算
根據(jù)知識(shí)庫(kù)中的散熱面積估算方法，需確保AI芯片的θJA（熱阻）滿足設(shè)計(jì)要求。例如，若芯片功耗為1W，環(huán)境溫度85°C，最大允許結(jié)溫140°C，則需至少500mm²的銅箔面積。SMT貼片工藝中需通過(guò)精確的回流焊和焊膏印刷控制，避免因焊接不良導(dǎo)致的局部熱阻升高。 -
熱過(guò)孔與散熱焊盤的SMT兼容性
在SMT貼片過(guò)程中，需確保熱過(guò)孔與散熱焊盤的焊接可靠性。例如，采用回流焊時(shí)，需優(yōu)化焊膏印刷厚度和加熱曲線，防止過(guò)孔堵塞或焊料不足。
四、液冷與相變冷卻技術(shù)的結(jié)合
對(duì)于高功耗AI芯片（單芯片散熱量>450W），液冷成為唯一可行方案。
- 直接芯片冷卻（DCC）：通過(guò)冷板通道與芯片表面接觸，利用水的高熱傳導(dǎo)效率（為空氣的3600倍）快速導(dǎo)出熱量。
- IBM嵌入式微通道技術(shù)：將介電液泵入芯片堆疊的微觀間隙，通過(guò)相變（液→氣）帶走熱量，測(cè)試表明可降低結(jié)溫25°C。
- NVIDIA液冷MGX封裝：結(jié)合液冷機(jī)架級(jí)架構(gòu)，為DGX GB200 SuperPod提供高效散熱支持，滿足720 PetaFLOPS的算力需求。
五、PCBA加工與SMT貼片的協(xié)同優(yōu)化
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材料選擇
- 使用高導(dǎo)熱率的PCB基材（如金屬基板或陶瓷基板），減少熱阻。
- 在SMT貼片中，選擇低熱膨脹系數(shù)的導(dǎo)熱膠（TIM1）和相變材料（TIM2），確保芯片與散熱器的緊密接觸。
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工藝控制
- PCBA加工：通過(guò)數(shù)控鉆孔和精確電鍍，保證熱過(guò)孔的導(dǎo)通性和耐久性。
- SMT貼片：采用高精度貼片機(jī)和AOI檢測(cè)設(shè)備，確保元器件位置和焊接質(zhì)量符合散熱設(shè)計(jì)要求。
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仿真與測(cè)試
- 利用熱仿真軟件（如ANSYS Icepak）模擬PCB的溫度分布，優(yōu)化銅箔面積和熱過(guò)孔布局。
- 在SMT貼片后進(jìn)行紅外熱成像測(cè)試，驗(yàn)證實(shí)際散熱效果。
六、總結(jié)
物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算設(shè)備的AI芯片散熱方案需從PCBA加工和SMT貼片全流程入手：
- PCBA加工階段：通過(guò)大面積銅箔、熱過(guò)孔和3DVC散熱器設(shè)計(jì)，提升熱傳導(dǎo)效率。
- SMT貼片階段：優(yōu)化元器件布局、散熱面積估算及焊接工藝，確保散熱路徑可靠。
- 高功耗場(chǎng)景：結(jié)合液冷或相變冷卻技術(shù)，突破傳統(tǒng)風(fēng)冷的性能瓶頸。
隨著AI芯片功耗的持續(xù)攀升，散熱設(shè)計(jì)需與先進(jìn)封裝（如CoWoS）、邊緣計(jì)算平臺(tái)深度集成，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備向更高能效和穩(wěn)定性演進(jìn)。
因設(shè)備、物料、生產(chǎn)工藝等不同因素，內(nèi)容僅供參考。了解更多smt貼片加工知識(shí)，歡迎訪問(wèn)深圳PCBA加工廠-1943科技。
2024-04-26
