液冷在冷卻 GPU 等高功耗芯片方面效果顯著，但也給附近其他原本受益于 GPU 散熱氣流的芯片帶來了熱問題。隨著氣流消失，印刷電路板（PCB）上剩余熱量的散逸正成為一項挑戰。

冷卻能夠保證器件在規格范圍內運行，并提升電路板和器件的可靠性。西門子數字工業軟件公司的創新路線圖經理羅賓?博恩諾夫表示：“溫度始終是可靠性的首要指標。它本身不會導致失效，但會引發后續的熱機械現象。器件發熱會產生形變，形變過大就會斷裂，進而導致 C4 凸點（或其他焊點）開裂，整個電路失效。”

氣流可以覆蓋電路板的每個部分，浸沒式冷卻也是如此。更常見的做法是，有針對性地利用液冷為高熱芯片散熱。無法采用液冷的芯片可能需要額外的被動或主動冷卻措施，這催生了微冷卻的概念 —— 冷卻解決方案針對有限空間，僅對一個或少數幾個器件進行冷卻。

圖 1：電路板的熱仿真圖顯示強制氣流來自右上方。若改為液冷，藍色和紅色芯片的溫度可能降低，但中間未采用液冷的芯片可能變為紅色。

在無氣流的情況下，必須對電路板上所有器件進行分析，以識別新出現的熱問題。針對這類情況，確實存在替代方案。新思科技電子熱完整性高級產品經理杰夫?薩普表示：“在缺乏主動冷卻的情況下，可以采用均熱板、熱管等技術。”

基礎熱核算

傳統上，電路板作為一個整體進行冷卻，通過充足的氣流保證板上器件工作在規定溫度范圍內。確定氣流量需要了解所有熱源，以確保冷卻效果足夠。

薩普解釋道：“要確定溫度值，需要知道產熱速率和散熱速率，二者達到平衡時的溫度即為工作溫度。”

但電路板通常只有少數幾個主要熱源，其余器件數量眾多。為便于討論，我們可以（不嚴格地）將需要液冷的芯片稱為高熱芯片，接近熱極限的稱為溫熱芯片，遠離過熱風險的稱為冷芯片。設計焦點通常集中在高熱芯片，但在對整塊電路板進行熱性能仿真時，需要納入所有器件（包括溫熱和冷芯片）的貢獻。采用風冷時，所有器件都能受益。

如果冷卻分析僅關注高熱芯片，那么冷卻方式可能對高熱芯片足夠，但對周圍的溫熱器件可能不足。在無氣流的情況下，溫熱芯片可能變成高熱芯片。這是否意味著它們現在也必須采用液冷？或許是，但并非必然。

整板熱交互

電路板上任意一點的溫度，取決于各器件的產熱和散熱方式。產熱通常取決于器件的工作負載，因此散熱是實際可調節的手段 —— 降低工作負載是最后手段，會削弱電路板的功能價值。

相鄰熱源會影響散熱。緊鄰高熱 GPU 的 HBM 堆疊，其自身散熱難度會高于無 GPU 時的情況。對電路板進行整體分析時，必須考慮這些器件間的相互作用，以確定合適的氣流方案。

新思科技產品營銷總監馬克?斯溫嫩表示：“進行溫度分析時，我們可以計算芯片的產熱功率，但功率是速率，不是溫度。該產熱速率對應的實際溫度取決于環境。這存在一個雞生蛋、蛋生雞的問題：芯片的功率取決于溫度，而溫度又取決于功率，因此需要多次迭代計算。”

關鍵問題在于，所有冷卻方案是為特定電路板定制的，還是部分芯片在采購時已集成冷卻方案。專為液冷設計的芯片，在制造過程中可能單獨集成了冷卻結構。冷板等技術可在電路板組裝時安裝，并針對特定電路板定制，但直接噴射式冷卻需要無遮擋地接觸硅裸片，無法在晶圓廠和封裝廠之間的環節加裝，否則會使硅片面臨損壞或污染風險。

在這些情況下，冷卻方案可能僅根據芯片自身的熱特性安裝，忽略了周圍器件的影響。采購并安裝此類器件的用戶可以放心芯片會保持在規格范圍內，但這與相鄰器件無關。

其他冷卻方案

電路板熱分析可以識別未采用液冷但存在過熱風險的器件。此時可采用的冷卻技術并非只有全液冷。薩普指出：“在無強制氣流的情況下，仍有許多技術可供使用。”

部分技術仍涉及液體，但采用自包含形式，例如均熱板和熱管。

均熱板利用小體積內的對流，使液體接觸芯片封裝頂部。液體蒸發后上升至腔體頂部，與外部冷板接觸，蒸汽冷卻后變回液體。對流驅動液體和蒸汽循環，實現高效散熱。

熱管外觀與液冷相似，也使用液體，但無需全液冷所需的復雜冷卻基礎設施，幾乎是微型液冷方案。其核心思想是將芯片（尤其是擁擠區域、空間有限的芯片）的熱量轉移到其他位置進行更有效的散逸。熱量驅動液體循環，并非永動機。

新思科技 SoC 工程高級工程師薩提亞?卡里馬吉表示：“內部的冷卻劑在蒸發器側吸收熱量后發生相變變成蒸汽，從蒸發器移動到冷凝器。在冷凝器處，散熱片或風扇將蒸汽的熱量帶走，蒸汽冷凝后通過毛細作用返回封裝。”

部分技術最初是為其他類型系統設計的。卡里馬吉表示：“熱管和均熱板用于筆記本電腦、手機等薄型設備。” 但它們的應用范圍可能會擴大。

部分場景可能不需要如此復雜的方案。散熱片通常通過氣流散熱，但即使無氣流，設計良好的散熱片也能通過更大的散熱面積提升冷卻效果。

局部風扇

在電路板空間允許的情況下，部分工程師會在板上安裝小型風扇以提供額外氣流。這類風扇會占用一定空間，其位置對確保目標器件獲得充足氣流至關重要。如果將空氣排出電路板外即可滿足需求，該方案可行；但如果需要將空氣進一步排出系統外，則需要恢復轉換為液冷時拆除的風冷基礎設施。

旋轉風扇體積較大，小型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系統，且噪音較大。

一種替代方案是在溫熱芯片頂部安裝 MEMS（微機電系統）微型風扇。該器件有兩個端口，一個進風，一個出風。安裝在芯片封裝上時，可通過隔離區在風扇和芯片之間留出氣流空間；側通風型號則無需隔離區，可直接安裝在芯片上。

圖 2：芯片頂部安裝 MEMS 風扇的兩種方式。上方方案中，隔離區為芯片下方留出空間，空氣可橫向甚至向上從頂部通風口排出；側通風方案無需隔離區。

xMEMS 的該器件源于其揚聲器業務。MEMS 揚聲器利用壓電效應，通過電壓變化驅動振膜移動空氣，而我們感知到的移動空氣就是聲音。xMEMS 營銷與業務開發副總裁邁克?豪斯霍爾德表示：“我們將壓電材料作為執行器，硅材料作為振膜。根據驅動 MEMS 的諧振頻率和超聲波調制方式，我們既可以產生音頻，也可以產生氣流。”

同一原理可用于制造恒速甚至變速風扇，無需揚聲器的調制功能。配套的 ASIC 芯片驅動壓電元件振動，使空氣通過端口流動。空氣可雙向流動 —— 底部進、頂部出，或相反。例如，可正向流動用于冷卻，反向流動用于清潔。

豪斯霍爾德表示：“系統處理器通過 I2C 指令在 ASIC 中設置氣流方向，可實時動態調整氣流方向和速率。氣流由電壓控制，電壓越高，氣流越大；電壓越低，氣流越小。”

比傳統風扇更安靜

該技術源于音頻領域，其工作頻率在千赫茲級別，通常遠低于電路板上任何器件的頻率，極高次諧波也不會干擾電氣元件。風扇頻率與芯片頻率相差六個數量級以上，任何可察覺功率的諧波都無法產生干擾。

風扇的另一大痛點是噪音。人類可聽范圍在千赫茲級別，而該風扇工作頻率超過 40 千赫茲，是人類最高可聽頻率的兩倍，因此非常安靜。

豪斯霍爾德表示：“3 厘米處無機械噪音，僅氣流產生的噪音為 18 分貝 A 計權（dBA），完全不可聞。”（dBA 是根據人耳響應特性加權的分貝值，相比之下，輕聲耳語約為 30dBA。）該公司還表示，其不受外部振動干擾。

可能需要額外措施確保氣流到達目標位置。豪斯霍爾德表示：“以公司支持的 SSD（固態硬盤）為例，我們使用金屬屏蔽罩 —— 類似射頻的 EMI 屏蔽罩，也可以是塑料材質，材料無關緊要。我們將氣流引導至屏蔽罩下方的所有芯片。通過風道或通道設計，可從系統外部或其他位置吸入冷空氣。”

xMEMS 正研究用該技術冷卻 HBM 堆疊，但無法在堆疊頂部加裝器件，一種可能的方案是冷卻側面，這有助于解決堆疊中間芯片最難冷卻的問題。

MEMS 冷卻器可安裝在芯片或電路板上，該公司甚至可將其設計為小芯片，集成于先進封裝中。但要實現這一點，需要將金屬蓋子改為硅蓋，且先進封裝需設置進風口和出風口。

主動散熱片

該公司還在研發所謂的主動散熱片，將風扇安裝在散熱片頂部。大多數散熱片的鰭片或引腳之間需要留出足夠空間以保證正常氣流，這涉及背壓概念 —— 氣流受到的阻力。傳統風扇的背壓低，但微型風扇直接向散熱片頂部吹風，背壓更高。這意味著散熱片可采用更密集的引腳陣列，增加散熱面積，提升散熱效果。

豪斯霍爾德解釋道：“我們將背壓轉化為優勢，推動空氣通過狹小空間。這是針對特定熱點的定向冷卻，而普通風扇是大范圍吹風。”

該器件尺寸為 9×7 平方毫米，厚度 1 毫米，成本在 5 至 10 美元之間。最初設計用于智能手機和 AR 眼鏡，這類應用可接受該價格，但消費類產品可能難以接受，盡管部分消費類產品的功耗正在升高。其在數據中心的首個應用是固態硬盤。

該方案僅適用于中等功耗的器件。豪斯霍爾德表示：“微冷卻可對功耗 15 至 18 瓦的系統產生效果，具體取決于系統的熱架構。”

原本無需冷卻的芯片現在需要冷卻

隨著系統轉向液冷，或即使無冷卻系統發展到需要部分冷卻的階段，必須對整塊電路板進行分析，識別高熱、溫熱和冷芯片。

數據中心的高熱芯片采用浸沒式液冷。數據中心外幾乎不存在液冷基礎設施，因此在現有技術條件下，功耗約 20 瓦以內的高熱芯片可通過微型風扇冷卻。功耗超過該值且無液冷、氣流不足時，可能需要采取措施降低產熱。

原本無需額外冷卻的溫熱芯片現在可能需要散熱片、均熱板、熱管或局部風扇。冷芯片溫度會升高，但仍應保持在設計范圍內。

隨著更多系統轉向液冷且功耗不斷提升，對于需要輔助冷卻但無需全液冷的芯片，可能會出現更多解決方案。無論何時有可用的冷卻方案，部署時都必須對整塊電路板進行分析。