隨著物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和邊緣計算技術的快速發(fā)展,邊緣設備對算力的需求呈指數(shù)級增長。AI芯片作為邊緣計算的核心組件,其高功耗特性帶來了嚴峻的散熱挑戰(zhàn)。如何在PCBA加工和SMT貼片工藝中設計高效散熱方案,成為保障設備穩(wěn)定運行的關鍵。深圳PCBA加工廠-1943科技結合PCBA加工和SMT貼片技術,探討AI芯片散熱方案的設計要點。
一、AI芯片散熱的核心問題
AI芯片在邊緣計算設備中承擔復雜的數(shù)據(jù)處理任務,其功耗可達數(shù)十瓦甚至上百瓦。熱量主要通過以下路徑傳導:
- 芯片→TIM(導熱界面材料)→封裝→PCB→散熱器
其中,PCB的散熱設計直接影響芯片結溫(Junction Temperature, TJ),而SMT貼片工藝中的元器件布局和PCBA加工中的銅箔設計則是關鍵環(huán)節(jié)。
二、PCBA加工中的散熱設計策略
-
大面積銅箔與熱過孔設計
- 銅箔面積:根據(jù)知識庫中的研究,連接銅皮的面積越大,結溫越低。建議在AI芯片周圍鋪設大面積電源地銅箔,以降低熱阻。
- 熱過孔陣列:通過仿真驗證,6×6的熱過孔陣列(間距1mm)可使結溫降低4.8°C,并顯著縮小PCB頂面與底面的溫差。熱過孔需貫穿多層PCB,增強垂直方向的熱傳導效率。
-
IC背面露銅與散熱焊盤
在PCB背面設計露銅區(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。此設計需結合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
-
元器件布局與熱分區(qū)
- 熱源分散:大功率AI芯片需遠離熱敏器件(如小信號晶體管、電解電容),并分散布局以避免熱集中。
- 風道設計:根據(jù)氣流方向,將大功率器件布置在PCB邊沿或頂部,利用自然對流或強制風冷提高散熱效率。
- 熱檢測器件位置:溫度傳感器應放置在AI芯片最熱區(qū)域,確保實時監(jiān)控與反饋。
-
SMT貼片中的散熱面積估算
根據(jù)知識庫中的散熱面積估算方法,需確保AI芯片的θJA(熱阻)滿足設計要求。例如,若芯片功耗為1W,環(huán)境溫度85°C,最大允許結溫140°C,則需至少500mm²的銅箔面積。SMT貼片工藝中需通過精確的回流焊和焊膏印刷控制,避免因焊接不良導致的局部熱阻升高。 -
熱過孔與散熱焊盤的SMT兼容性
在SMT貼片過程中,需確保熱過孔與散熱焊盤的焊接可靠性。例如,采用回流焊時,需優(yōu)化焊膏印刷厚度和加熱曲線,防止過孔堵塞或焊料不足。
四、液冷與相變冷卻技術的結合
對于高功耗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):通過冷板通道與芯片表面接觸,利用水的高熱傳導效率(為空氣的3600倍)快速導出熱量。
- IBM嵌入式微通道技術:將介電液泵入芯片堆疊的微觀間隙,通過相變(液→氣)帶走熱量,測試表明可降低結溫25°C。
- NVIDIA液冷MGX封裝:結合液冷機架級架構,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
-
材料選擇
- 使用高導熱率的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)的導熱膠(TIM1)和相變材料(TIM2),確保芯片與散熱器的緊密接觸。
-
工藝控制
- PCBA加工:通過數(shù)控鉆孔和精確電鍍,保證熱過孔的導通性和耐久性。
- SMT貼片:采用高精度貼片機和AOI檢測設備,確保元器件位置和焊接質量符合散熱設計要求。
-
仿真與測試
- 利用熱仿真軟件(如ANSYS Icepak)模擬PCB的溫度分布,優(yōu)化銅箔面積和熱過孔布局。
- 在SMT貼片后進行紅外熱成像測試,驗證實際散熱效果。
六、總結
物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算設備的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:通過大面積銅箔、熱過孔和3DVC散熱器設計,提升熱傳導效率。
- 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。
- 高功耗場景:結合液冷或相變冷卻技術,突破傳統(tǒng)風冷的性能瓶頸。
隨著AI芯片功耗的持續(xù)攀升,散熱設計需與先進封裝(如CoWoS)、邊緣計算平臺深度集成,推動物聯(lián)網(wǎng)設備向更高能效和穩(wěn)定性演進。
因設備、物料、生產(chǎn)工藝等不同因素,內容僅供參考。了解更多smt貼片加工知識,歡迎訪問深圳PCBA加工廠-1943科技。