核心要點

1. 從風冷切換至液冷后，未采用液冷的元器件可能出現過熱問題。

2. 需對整塊電路板或整個系統開展熱學分析，確保原本溫度達標的元器件持續處于正常工作溫度。

3. 未配備液冷的元器件，或需采用其他替代性冷卻技術。

液冷技術在高功率芯片（如圖形處理器 GPU）的散熱中表現出顯著效果，但這也給周邊其他芯片帶來了熱學難題 —— 這些芯片此前一直依靠為 GPU 散熱的氣流實現降溫，而液冷方案的落地讓這類氣流不復存在，如何消散印刷電路板（PCB）上剩余的熱量就此成為一大挑戰。

散熱不僅能讓元器件按規格正常運行，還能保障電路板和元器件的可靠性。西門子數字工業軟件創新路線圖經理羅賓?博諾夫表示：“溫度始終是衡量設備可靠性的首要指標，它并非直接導致故障的原因，故障的根源往往是后續產生的熱機械效應。元器件升溫后會發生形變，形變幅度過大便會出現破損，進而導致芯片的 C4 凸點等結構斷裂，最終引發整個電路失效。”

風冷和浸沒式液冷的散熱范圍可覆蓋電路板的各個角落，而常規液冷則是針對性地為高熱芯片降溫。那些未納入液冷方案的芯片，可能需要額外增加被動或主動散熱裝置，這也催生了微冷卻理念 —— 讓散熱方案精準作用于有限區域，僅為一個或少數幾個元器件實現降溫。

（圖 1：某電路板的熱仿真圖，圖中可見強制氣流從右上方向電路板吹入。若將風冷替換為液冷，圖中藍色和紅色標識的芯片溫度或會降低，但中間未配備液冷的芯片，溫度可能升至紅色預警區間。來源：新思科技）

失去氣流散熱后，需對電路板上所有元器件進行分析，排查潛在的新型熱學問題，而目前已有可應對這類問題的替代方案。新思科技電子熱完整性高級產品經理杰夫?撒普稱：“在缺乏主動散熱的情況下，可采用均熱板、熱管等替代技術解決散熱問題。”

基礎熱學核算邏輯

傳統的電路板散熱以整板為單位，通過充足的氣流保證板上所有元器件在規定溫度范圍內工作。要確定所需的氣流通量，需先摸清所有熱源的情況，以此確保散熱效果達標。

撒普解釋道：“要確定元器件的工作溫度，需掌握其產熱速率和散熱速率，二者達到平衡時的溫度，就是元器件的實際工作溫度。”

一塊電路板上通常會有少數幾個主要熱源，以及眾多其他元器件。為便于分析，我們可粗略將元器件分為三類：需液冷散熱的高熱芯片；接近耐熱閾值的中熱芯片；離過熱狀態較遠的低熱芯片。以往的散熱設計往往將重點放在高熱芯片上，但對整板進行熱性能仿真時，中熱和低熱芯片的產熱影響也需納入考量，且在風冷模式下，所有元器件都能從中受益。

若散熱分析僅聚焦于高熱芯片，對應的散熱方案或許能滿足其需求，卻無法為周邊的中熱芯片提供足夠散熱。失去氣流后，中熱芯片很可能會變成高熱芯片，這是否意味著這類芯片也必須加裝液冷裝置？答案是可能需要，但并非絕對。

整板元器件的熱交互效應

電路板上任意一點的溫度，均由各元器件的產熱情況和散熱方式共同決定。元器件的產熱量一般與其工作負載相關，因此散熱成為實際可調控的關鍵因素 —— 畢竟降低工作負載是最后的無奈之舉，此舉會削弱電路板的功能實用性。

元器件的散熱效果還會受周邊熱源的影響，例如，緊鄰高熱 GPU 的高帶寬存儲（HBM）堆疊芯片，其散熱難度會遠高于獨立放置時。對電路板進行整體熱學分析時，需充分考慮元器件間的這類熱交互效應，從而確定合理的氣流供給方案。

新思科技產品營銷總監馬克?斯溫寧表示：“開展溫度分析時，我們能計算出芯片的產熱功率，但功率是速率單位，并非溫度單位。芯片在該產熱功率下的實際工作溫度，還會受外部環境影響。這是一個類似‘先有雞還是先有蛋’的問題：芯片的產熱功率取決于其溫度，而溫度又由產熱功率決定，因此需要反復迭代計算才能得出準確結果。”

這就引出了一個關鍵問題：散熱方案是為特定電路板量身定制，還是部分芯片在出廠時就已配備散熱裝置？為液冷設計的芯片，可能在生產階段就單獨安裝了散熱部件。冷板等散熱裝置可在電路板組裝時加裝，并根據電路板的具體情況定制，而直接沖擊冷卻等技術則需要無遮擋地接觸硅裸片，若在芯片制造完成后、組裝前的階段再安裝，極易造成硅片損壞或被雜質污染。

在這類情況下，散熱裝置的安裝往往僅考慮芯片自身的熱特性，忽略了周邊元器件的影響。采購這類預裝散熱裝置的芯片后，可確保芯片自身按規格運行，卻無法保障周邊元器件的溫度處于正常范圍。

多樣化的補充散熱方案

通過電路板熱學分析，可識別出未配備液冷、但存在過熱風險的元器件，針對這類元器件，可采用非全液冷的輕量化散熱技術。撒普指出：“即便沒有強制氣流，目前仍有多種散熱技術可供選擇。”

其中部分技術雖也用到液體，但采用封閉式設計，均熱板和熱管就是典型代表。

• 均熱板：利用小空間內的對流效應，讓液體與芯片封裝頂部接觸，液體受熱蒸發后上升至均熱板上部，與外部冷板接觸后冷卻液化，通過持續的對流效應實現高效散熱。

• 熱管：外觀和原理與液冷相似，同樣借助液體散熱，但無需液冷所需的復雜散熱基礎設施，相當于一套微型液冷裝置。其核心作用是將芯片的熱量（尤其是空間狹小、難以加裝散熱部件的密集區域內芯片的熱量）轉移至其他區域，實現更高效的消散，而熱量的轉移完全由芯片產熱驅動，并非永動機式的無能耗運作。

新思科技片上系統（SoC）工程高級工程師薩蒂亞?卡里馬吉介紹道：“熱管內部裝有冷卻介質，介質在蒸發端吸收熱量后汽化為蒸汽，從蒸發端移動至冷凝端；冷凝端的散熱片或風扇將蒸汽的熱量帶走，蒸汽液化后，再通過毛細作用流回芯片封裝處。”

這類散熱技術最初為其他系統設計，卡里馬吉稱：“均熱板和熱管最初用于筆記本電腦、手機等薄型設備”，如今其應用范圍正不斷擴大。

部分場景無需如此復雜的散熱裝置，散熱片就是簡易選擇。散熱片通常依靠氣流散熱，但即便沒有氣流，設計精良的散熱片也能通過增大散熱表面積，實現一定的降溫效果。

微型風扇散熱

若電路板留有足夠空間，工程師可在板上加裝小型風扇補充氣流。這類風扇會占據一定空間，且安裝位置至關重要，需確保氣流能精準吹向待散熱的元器件。若僅需將熱空氣排出電路板，該方案即可發揮作用；但若需將熱空氣排出整個設備，則需要重新搭建風冷切換液冷時拆除的通風架構。

傳統旋轉風扇體積偏大，小型化版本雖可用于電路板，但無法適配智能眼鏡等空間極度受限的設備，且這類風扇運行時還會產生噪音。

一種替代方案是在中熱芯片頂部安裝 ** 微機電系統（MEMS）** 微型風扇，該裝置設有兩個端口，分別用于進氣和出氣。將其安裝在芯片封裝頂部時，可通過支撐結構在風扇與芯片間留出氣流空間；也可選擇側出風式設計，無需支撐結構即可直接安裝。

（圖 2：微機電系統風扇在芯片上的兩種安裝方式。上置式通過支撐結構在芯片下方留出側向甚至向上的出風空間；側出風式則無需支撐結構。來源：xMEMS 公司）

xMEMS 公司推出的這類微型風扇，由其揚聲器業務技術迭代而來。該公司的微機電揚聲器利用壓電效應，通過信號的電壓變化驅動振膜運動，進而推動空氣流動，而空氣的振動被人耳感知為聲音。xMEMS 公司營銷與業務發展副總裁邁克?豪斯霍爾德表示：“我們以壓電材料為驅動部件，以硅片為振膜，通過調節微機電系統的諧振頻率和超聲波的調制方式，既能實現音頻播放，也能產生氣流。”

基于這一原理制造的微型風扇，可實現恒速或變速運行，無需像揚聲器那樣進行復雜的信號調制，由配套的專用集成電路（ASIC）驅動壓電元件振動，進而推動空氣從端口流出，氣流方向可靈活切換 —— 既可從底部進風、頂部出風，也可反向運行，例如正方向運行用于散熱，反方向運行用于清潔芯片表面。

豪斯霍爾德稱：“系統處理器可通過集成電路總線（I2C）指令，在專用集成電路中設置氣流方向，實現氣流方向的實時切換，同時還能動態調節風量。風量由電壓控制，調高電壓則風量增大，調低電壓則風量減小。”

低噪音優勢

得益于音頻技術的研發基礎，這款微型風扇的工作頻率處于千赫茲級別，遠低于電路板上所有元器件的工作頻率，即便產生超高次諧波，也難以對電子元件造成干擾；且風扇頻率與芯片頻率相差 6 個及以上數量級，諧波的能量微乎其微，完全無需擔心干擾問題。

風扇的噪音問題也得以解決：人類的聽覺范圍在千赫茲級別，而這款微型風扇的工作頻率超過 40 千赫茲，是人類聽覺上限的兩倍，因此運行時幾乎無噪音。

豪斯霍爾德表示：“在距離 3 厘米的位置，完全聽不到機械噪音，其噪音值僅為 18 分貝（dBA，為貼合人耳聽覺特性的加權分貝值），屬于人耳無法感知的范圍。”（參考：輕聲耳語的噪音值約為 30 分貝）。該公司還稱，這款風扇能有效抵御外界振動的干擾。

為確保氣流精準抵達散熱區域，還可采取一些輔助措施。豪斯霍爾德舉例道：“在固態硬盤（SSD）這一應用場景中，我們會加裝一個金屬屏蔽罩，類似射頻（RF）領域的電磁干擾（EMI）屏蔽罩，材質也可選用塑料。屏蔽罩的作用是引導氣流吹過其下方的所有芯片，通過設計不同的風道，可從設備外部或系統其他區域吸入冷空氣。”

目前 xMEMS 公司正研究利用該技術為 HBM 堆疊芯片散熱，由于無法在堆疊芯片頂部加裝風扇，可考慮從側面進行冷卻，這能有效解決堆疊芯片中最難散熱的中層裸片降溫問題。

這款微機電冷卻風扇可安裝在芯片或電路板上，甚至可制作成芯粒，集成至先進封裝中。但要實現這一應用，需將芯片的金屬蓋板更換為硅蓋板，且先進封裝結構中需預留進出氣端口。

主動式散熱片

xMEMS 公司還在研發主動式散熱片，即將微型風扇加裝在散熱片頂部。傳統散熱片的鰭片或針狀結構之間需留出足夠空間，以保證氣流正常通過，這就涉及到背壓概念 —— 背壓指氣流流動時受到的阻力。傳統風扇的背壓較低，而微型風扇可直接向散熱片頂部吹風，背壓遠高于傳統風扇，這意味著散熱片可采用更密集的針狀陣列，增大散熱表面積，從而提升散熱效率。

豪斯霍爾德解釋道：“我們充分利用背壓的優勢，推動空氣在狹小空間內流動，實現對特定熱點的精準定向冷卻，而傳統風扇的氣流則更為分散。”

這款微型風扇的尺寸僅為 9×7 平方毫米，厚度 1 毫米，單價在 5 至 10 美元之間。其最初為智能手機和增強現實（AR）眼鏡設計，這類產品可承受該定價，但面向消費級產品市場時，推廣難度會更大，盡管部分消費級產品的散熱需求正不斷提升。目前該產品首次進入數據中心領域，應用于固態硬盤的散熱。

需要注意的是，該微型風扇僅適用于中等產熱功率的元器件，豪斯霍爾德表示：“在產熱功率 15 至 18 瓦的系統中，微冷卻技術能發揮顯著散熱效果，具體效果還取決于系統的熱學架構設計。”

無散熱芯片的散熱需求升級

無論是從風冷切換至液冷，還是原本無散熱設計的系統因性能提升產生散熱需求，都需對整板進行熱學分析，區分高熱、中熱和低熱芯片，再針對性設計散熱方案。

• 在數據中心場景中，高熱芯片一般采用浸沒式液冷散熱；在數據中心之外的場景，因缺乏液冷基礎設施，依托現有技術，微型風扇可滿足產熱功率約 20 瓦以內高熱芯片的散熱需求；若芯片產熱功率超過該閾值，且無真正的液冷方案加持，在氣流散熱不足的情況下，只能通過降低產熱的方式解決問題。

• 原本無需額外散熱的中熱芯片，如今可能需要加裝散熱片、均熱板、熱管或局部風扇。

• 低熱芯片的溫度會有所上升，但仍能在設計的正常工作溫度范圍內運行。

隨著越來越多的系統切換至液冷，且芯片功率持續提升，針對那些需要散熱輔助、但無需全液冷方案的芯片，新的散熱技術或將不斷涌現。無論當下有哪些散熱方案可供選擇，要實現合理部署，對電路板進行全面的熱學分析始終是必不可少的步驟。