从热设计的角度看电子产品的发展趋势

stupid · 发表于 2012-8-1 13:08

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【日经BP社报道】7月11日，笔者代表《日经电子》拆解组在东京有明国际会展中心举行的“热设计及热对策技术研讨会”上，以“从产品拆解看最近的散热技术”为题作了演讲。

　　《日经电子》的演讲是“从产品看最新冷却技术动向”分会的演讲之一。该分会的主持人国峰尚树（Thermal Design Laboratory代表董事）一直很关照本刊的热设计专栏，也十分了解拆解组的活动。本刊此前拆解了很多电子产品，并在《日经电子》、Tech-On!及技术在线！网站等上做了介绍。此次接受国峰将这些内容从热设计的角度综合可能会很有意思的建议，笔者尝试着将以前的报道综合起来用于演讲。

　　此次将拆解按照游戏机、个人电脑及平板电脑等信息终端、手机分类汇总之际，确实看到了可以称为是热设计“轮廓”的东西。以游戏机为例，2000年索尼计算机娱乐（SCE）上市的“PlayStation 2（PS2）”使用了重370g、相当于三个智能手机重量的大型散热片（图1），而兼具PS2的游戏功能与电视影像录制功能的“PSX”（2003年）则采用了50mm×40mm×20mm的散热片，外形尺寸缩小了很多（图2）。因发热源——微处理器及图形LSI的集成化，而且改进了流向机壳内的冷却空气流，散热方法也为之一变。

图1 PS2的散热片

图2 PSX的散热片

　　2006年问世的“PlayStation 3（PS3）”可以说发生了同样的情况。第一代机型是最大功耗为380W的电子部件集合体。为了冷却微处理器“Cell”及图形LSI“RSX”，使用了外形尺寸为230mm×210mm×35mm的大型冷却风扇（图3）。

图3 第一代PS3的散热机构

　　而2009年推出的新款PS3则大幅缩小了冷却机构的尺寸。最初以90nm工艺制造的Cell改成了45nm工艺等（RSX由90nm工艺改为65nm工艺），功耗的降低对冷却机构的小型化发挥了功效（图4）。

图4 新PS3的散热机构

　　功耗远超100W的电子产品采用的常规方法是，第一代机型比较重视可靠性，因而会作非常精心的热设计，但产品升级换代，则会随着部件数量的减少及功耗的降低而逐步简化热设计。

那么，功耗较小的产品采用什么样的散热方法呢？我们来看一下美国苹果的“MacBook Air”。2008年问世的第一代MacBook Air，其散热系统由微处理器散热板、冷却风扇，以及为了进一步散热而粘贴在电池及机壳内侧等的石墨薄膜构成（图5）。

图5 拆解第一代MacBook Air

　　而2010年第二代MacBook Air问世时，微处理器的制造工艺由65nm代升级到了45nm代，热设计功耗由第一代机型的约20W减半至约10W。散热方法上，用导热管代替了第一代机型的散热板，并与第一代机型一样，结合使用了风扇和石墨薄膜。但机壳内侧粘贴的石墨薄膜面积比第一代机型要大（图6）。

图6 拆解第二代MacBook Air

　　不仅仅是MacBook Air，其他公司的笔记本电脑也使用了石墨薄膜。比如，在笔记本电脑中首次采用高速光传输、2011年问世的索尼“VAIO Z”。该产品的机壳内侧仍然粘贴了石墨薄膜，估计是为了大面积散热（图7）。这种石墨薄膜也被广泛应用在智能手机上。日本厂商的手机以前就经常使用石墨薄膜，而“iPhone”等智能手机则扩大了这种薄膜的覆盖面积。

图7 拆解VAIO Z

　　今后的热设计将会走向何方？考虑到层叠LSI封装的PoP（package on package）及LSI芯片的三维层叠技术将越来越广泛地得到应用，估计今后的趋势是如何使层叠的LSI向机壳外散热吧。

　　这种趋势也体现在了2012年3月面世的新款“iPad”上。“iPad 2”采用了将DRAM重叠在处理器封装上的PoP形式，而新款iPad未采用PoP，而是在印刷电路板的正反面安装了处理器和DRAM。估计是为了避免处理器发热对DRAM的运行带来不良影响。而且，处理器并未安装在树脂封装上，而是以裸片形态安装在印刷电路板上，热量在芯片表面经由导热油传向散热片（图8）。

图8 拆解新iPad

　　该散热片上配置了导热膜，并贴在其上的金属壳（估计用来防止电磁噪声）上。散热路径是导热油→散热片→导热膜→金属壳。

　　一般来说，如果在树脂封装上不采取任何措施，封装内的芯片产生的热量只能从封装表面散发几个百分点。而散热路径几乎全在封装面的印刷电路板一侧。在这种情况下，如果采用裸片封装并可从芯片表面散热，则芯片产生的热量就会可以从两个途径：经由芯片表面散出3～4成，其余可经由印刷电路板一侧散出。

　　iPad的情况是，iPad 2之前印刷电路板均采用单面封装。新款iPad则改成了双面封装，因此能够采用上述散热方法。那么，已经采用双面封装的产品，比如智能手机该如何散热呢？将印刷电路板配置在其他位置以将PoP形式安装的处理器和DRAM分开的余地几乎没有。那么，能采用三维层叠方式而非PoP，比如基于TSV（硅通孔）的LSI芯片三维连接技术，利用以铜填充的TSV以及芯片之间的填料等来散热吗？

　　这样考虑的话，光是结合使用散热片、石墨薄膜及风扇的话，可以说很难确保充分的散热路径。在《日经电子》在筹备热设计研讨会的同时，作为《日经电子》拆解组，今后也将考虑深入到封装内部进行热设计方面的探讨。