Горячий интерес к новейшим методам охлаждения

Журнал РАДИОЛОЦМАН, январь 2014

Roger Allan

Electronic Design

Серия достижений в методологиях и изделиях для терморегулирования, иногда граничащих с фантастикой, дает разработчикам необходимое оружие для борьбы с нагревом

В связи с активизацией покупательского спроса на все, что «меньше» и «быстрее», возникают гигантские проблемы, когда дело доходит до борьбы с теплом, выделяемым становящимися все более плотными печатными платами. Поскольку микропроцессоры и логические элементы становятся многослойными (3D) и работают на гигагерцовых частотах, задача экономически эффективного управления тепловыми режимами становится, возможно, самой приоритетной для инженеров, работающих в области проектирования, монтажа и материаловедения.

Добавляет головной боли и нынешняя тенденция изготовления 3D микросхем с увеличенной функциональной плотностью. Моделирование показывает, что повышение температуры на 10 °C может удвоить плотность теплового потока 3D чипа, снижая, тем самым, производительность более чем на треть.

Проблемы с микропроцессорами

Прогнозы Международного проекта развития полупроводниковых технологий (ITRS) показывают, что в течение ближайших нескольких лет проводники межсоединений в труднодоступных с точки зрения отвода тепла местах микропроцессора будут потреблять до 80% мощности чипа. Thermal Design Power (TDP) является одной из величин для оценки способности процессора «справляться» с вырабатываемым им теплом. Она определяет верхнюю точку теплового профиля и связанную с ним температуру корпуса.

Новейшие микропроцессоры компаний Intel и Advanced Micro Devices (AMD) имеют TPD от 32 до 140 Вт. И это число продолжает расти с увеличением рабочих частот микропроцессоров.

Особенно восприимчивы к проблемам тепловыделения крупные центры обработки данных, использующие сотни компьютерных серверов. Охлаждающие вентиляторы серверов, по некоторым оценкам потребляющие до 15% электрической мощности, фактически, сами становятся значительными источниками тепла. Кроме того, затраты на охлаждение центра обработки данных могут составлять от 40% до 45% от расходов на энергопотребление центра. Все эти факторы создают повышенную потребность в устройствах местного и дистанционного зондирования температуры и управления вентиляторами.

Задача управления температурным режимом усложняется, когда речь идет о платах, содержащих многоядерные процессоры. Хотя когда каждое процессорное ядро в массиве рассеивает меньше энергии (и, следовательно, меньше тепла), чем одноядерный процессор, конечным результатом в случае серверов большой мощности является еще большее тепловыделение в компьютерной системе. Проще говоря, гораздо большее количество процессорных ядер работает на данной площади печатной платы.

Другой непростой вопрос, связанный с управлением температурным режимом микросхем, касается появления горячих точек на корпусе чипа. Удельные тепловые потоки могут достигать 1000 Вт/см², что даже сложно отследить.

Платы играют важнейшую роль в тепловом управлении и, таким образом, требуют проектирования топологии на основе температурного анализа. Всякий раз, когда это возможно, конструкторы должны располагать силовые элементы настолько далеко друг от друга, насколько это позволяет конструкция. К тому же, они должны находиться в стороне от углов печатной платы, что поможет освободить максимальное пространство вокруг силовых компонентов для облегчения теплового рассеивания.

Это обычно касается незащищенных контактных площадок питания, которые будут припаяны к печатной плате. Часто такие контактные площадки передают около 80% тепла от нижней части корпуса микросхемы к печатной плате. Остальное тепло рассеивается через боковые стороны корпусов и выводы.

Тепловые помощники

В помощь разработчикам теперь создан целый ряд усовершенствованных изделий для терморегулирования. В него входят радиаторы, тепловые трубки и вентиляторы, отводящие тепло путем активной и пассивной конвекции, излучения и теплопроводности. Смягчить проблемы теплоотвода помогает даже способ межсоединений размещенных на плате чипов.

Например, распространенный подход с открытыми площадками, используемый для соединения микросхемы с печатной платой, может уменьшить проблемы отвода тепла. Если открытая площадка припаяна к плате, тепло быстро переходит из корпуса в плату. Затем, пройдя через слои печатной платы, оно рассеивается в окружающий воздух.

Так, Texas Instruments (TI) разработала метод, получивший название PowerPAD, который предусматривает монтаж кристалла микросхемы на металлическую пластину (Рисунок 1). Эта теплопроводящая подкладка, на которую опирается кристалл в процессе изготовления, служит хорошим теплоотводом для чипа.

Рисунок 1.	Теплопроводящая подкладка под кристаллом PowerPAD, поддерживающая кристалл в процессе производства, выступает в качестве хорошего теплоотвода для чипа.

По словам Мэтта Ромига (Matt Romig), менеджера по корпусированию аналоговых ИС компании TI, PowerStack является первой 3D технологией размещения вертикальных MOSFET. На Рисунке 2 видно, как MOSFET верхнего и нижнего плеч полумоста удерживаются друг на друге медными прижимами, а открытая площадка с потенциалом земли обеспечивает оптимизацию теплового режима. Использование двух медных прижимов для подключения входных и выходных выводов повысило уровень интеграции элементов в безвыводном корпусе QFN.

Рисунок 2.	MOSFET верхнего и нижнего плеч полумоста удерживаются друг на друге медными прижимами, а открытая площадка с потенциалом земли обеспечивает оптимизацию теплового режима.

Еще большей проблемой является управление тепловым режимом силовых устройств. Повышение рабочих частот и необходимость уменьшения размеров корпусов приблизили обычные методы охлаждения к границам их возможностей. Кавер Азар (Kaver Azar), президент и исполнительный директор Advanced Thermal Solutions, предлагает использовать встроенные тонкопленочные термоэлектрические устройства, содержащие микроканалы с водяным охлаждением.

Азар предлагает решение, которое минимизирует сопротивление растеканию – самое большое сопротивление на пути теплопередачи – с помощью системы принудительного распределения тепла, связанной непосредственно с кристаллом микропроцессора (Рисунок 3).

Рисунок 3.	Во встраиваемом тонкопленочном термоэлектрическом устройстве, предложенном Advanced Thermal Solutions, используется микроканальное водяное охлаждение. Система принудительного распределения тепла, связанная непосредственно с кристаллом микропроцессора, минимизирует тепловое сопротивление.

Предложенный подход позволяет распределять сконцентрированное тепло маленького микропроцессора на большей площади основания радиатора, который передает тепло в окружающую среду. В такой встроенной системе принудительного распределения тепла имеются микро- и мини-каналы, проходящие через кремний. Скорость потока воды внутри каналов составляет примерно от 0.5 до 1 л/мин.

Результаты моделирования показали, что на кристалле 10 × 10 мм в корпусе BGA радиатор с основанием 120 × 120 мм создает тепловое сопротивление 0.055 K/Вт. Использование материала радиатора с теплопроводностью, равной или более высокой, чем у алмаза, дает 0.030 K/Вт.

Пол Мэджилл (Paul Magill), вице-президент по маркетингу и развитию бизнеса компании Nextreme Thermal Solutions, говоря о термоэлектрическом охлаждении, выступает за то, чтобы начинать охлаждение на уровне чипа. Компания предлагает локализованное глубоко внутри электронных компонентов управление тепловым режимом, использующее крошечные тонкопленочные термоэлектрические структуры, известные как тепловые столбики (Рисунок 4). Термически активный материал (например, медный столбиковый вывод) встраивается в межкристальные соединения для использования при корпусировании электронного изделия.

Рисунок 4.	Термически активный материал встраивается в межкристальные соединения для использования при корпусировании электронного изделия.

Охлаждение, локализованное на уровне пластины, кристалла и корпуса обеспечивает значительные экономические преимущества. Например, в центре обработки данных, использующем сотни и тысячи современных микропроцессоров, это намного эффективнее, чем отвод тепла с помощью более дорогих и громоздких систем кондиционирования воздуха.

В некоторых устройствах, таких как светодиоды, сочетание пассивных и активных методов охлаждения может улучшить характеристики устройства и увеличить срок его службы (Рисунок 5). Например, использование вентилятора внутри радиатора зачастую позволяет снизить тепловое сопротивление до 0.5 °C/Вт, что является существенным улучшением по сравнению со значением 10 °C/Вт, типичным для пассивного охлаждения одним радиатором.

Рисунок 5.	Использование вентилятора внутри радиатора зачастую позволяет снизить тепловое сопротивление до 0.5 °C/Вт, что является существенным улучшением по сравнению со значением 10 °C/Вт, типичным для пассивного охлаждения одним радиатором.

Моделирование, и снова моделирование

Управление тепловыми режимами всегда было, и продолжает оставаться одним из ограничивающих факторов в достижении большей производительности микросхем. Из-за постоянной борьбы за свободное пространство в этих постоянно уменьшающихся микросхемах и их корпусах остается все меньше, или уже нет совсем места для того, чтобы помочь их охлаждению. Это заставило проектировщиков рассмотреть экзотические методы охлаждения и новые, перспективные теплоотводящие материалы.

Тем не менее, основное исходное условие остается: проектировщики должны уделять больше внимания научной термодинамике для оптимальных решений вопросов охлаждения. И весь процесс должен начинаться с программ термического анализа задолго до запуска проекта в производство.

Вот где на сцену выходят инструменты программного моделирования. Такие продукты, как Flotherm 3D V.9 компании Mentor Graphics помогают разработчикам 3D микросхем количественно оценить тепловые величины, позволяя решать проблемы тепловыделения по мере их возникновения. Этот продукт из области вычислительной гидрогазодинамики (CFD) формирует образы областей «бутылочных горлышек» (Bn) и «кратчайших путей» (Sc). В результате инженеры могут определить, где и почему в их конструкции происходят заторы теплового потока.

По словам Эриха Бюргеля (Erich Bürgel), генерального директора механико-аналитического отдела компании Mentor Graphics, участки Bn показывают, где в конструкции наиболее интенсивный тепловой поток, и как он пытается течь из высокотемпературных точек к соседним. Области Sc обозначают возможные подходы к созданию новых, более эффективных путей теплового потока, которые можно реализовать добавлением простого элемента, такого как разрыв площадки или экструзия основания.

Flotherm 3D V.9 поддерживает импорт XML модели и геометрических данных для интеграции программного обеспечения в общие потоки данных. Она также имеет прямой интерфейс с платформой разработчика Expedition PCB компании Mentor Graphics. В результате пользователи для более точного теплового моделирования могут добавлять, редактировать или удалять такие объекты, как радиаторы, тепловые отверстия, вырезы и электромагнитные экраны.

Моделируя тепловые режимы, разработчики могут точно предсказать тепловые характеристики начальной и последующих конструкций без необходимости создания и тестирования прототипа. В качестве переменных проекта должны учитываться такие параметры, как количество и толщина ребер радиатора, толщина его основания и тепловое сопротивление теплопроводящих материалов.

Правильные тепловые модели имеют большое значение для будущих 3D микросхем, в которых планируется наслаивать друг на друга логические устройства и память, состоящие из тонких кристаллов, что сильно снижает боковое тепловыделение. По мере снижения толщины кристаллов высокотемпературные пятна становятся все более распространенными. Вызывая локальные повышения температуры кристаллов памяти, горячие пятна на логических устройствах могут уменьшать время удержания данных в DRAM.

Исследователи Бельгийского микро- и наноэлектронного научного центра (IMEC) уже имеют выверенные тепловые модели для проектирования смешанных 3D микросхем следующего поколения. Эти 3D стеки, очень похожие на коммерческие чипы будущего, состоят из запатентованных IMEC логических КМОП интегральных схем, наложенных поверх серийно выпускаемых модулей DRAM. Объединение кристаллов осуществляется с помощью переходных отверстий в кремнии и микро-столбиков. Исследование стало результатом совместных усилий IMEC и ее партнеров: Amkor, Fujitsu, GlobalFoundries, Intel, Micron, Panasonic, Qualcomm, Samsung, Sony и TSMC.

IBM планирует использовать микроканальную систему водяного охлаждения в своих будущих 3D процессорах, таких, как Power8, появление которого ожидается в скором времени (Рисунок 6). Бруно Мишель (Bruno Michel), руководитель группы Advanced Thermal Packaging швейцарского отделения IBM, рассказывает, что энергоэффективная технология охлаждения горячей водой является частью концепции IBM по созданию центров обработки данных с нулевыми энергопотерями. Для охлаждения 3D стеков, которые почти в том же пространстве генерируют больше тепла, чем один процессор, с точки зрения энергоэффективности предпочтительнее использовать воду, а не воздух.

Рисунок 6.	IBM планирует использовать микроканальную систему водяного охлаждения в своих будущих 3D процессорах, таких, как Power8, появление которого ожидается в скором времени.

Жидкостное охлаждение процессоров также используется в видеокартах XLR8 GTX 580 GeForce, компании PNY Technologies, предназначенных для сложных, насыщенных графикой игровых продуктах. PNY и компания Asetek, специализирующаяся в области терморегулирования, объединили усилия, чтобы производить продукцию для охлаждения графических и центральных процессоров энтузиастов компьютерных игр.

Готовая к установке система, содержащая замкнутый контур терморегулирования с встроенным и уже подключенным водяным охладителем Asetek, предлагается потребителям за $649.99 (Рисунок 7). PNY утверждает, что температура новой системы на 30% ниже, акустические шумы меньше, а реакция быстрее, чем у стандартной графической карты Nvidia GeForce GTX 580.

Рисунок 7.	Графическая карта XLR8 GTX 580 GeForce, выпускаемая компанией PNY Technologies.

Водяное охлаждение используется также для терморегулирования разнообразных силовых устройств – тиристоров, симисторов и транзисторов. В качестве примера можно привести радиатор XW180GC34A/B, разработанный Westcode Semiconductors, дочерней компанией IXYS (Рисунок 8). Контактная площадка никелированного теплоотвода имеет диаметром 127 мм и позволяет прижимать устройства с контактным электродом до 125 мм в диаметре.

Рисунок 8.	Водяной охладитель XW180GC34 компании Westcode Semiconductors.

Типичный радиатор для водяного охлаждения имеет тепловое сопротивление 4.3 K/кВт при скорости потока воды 10 л/мин, (два кулера плюс один полупроводниковый прибор), или 5.6 K/кВт (три кулера плюс два полупроводниковых прибора). Радиатор поставляется со встроенной соединительной шиной, или без нее.

«Типичной областью применения таких кулеров будут мини устройства с мегаваттными уровнями мощности и мощные выпрямители, применяемые, например, в тяжелой промышленности, в тяговых подстанциях железных дорог, а также в системах генерации и распределении электроэнергии», – говорит Франк Уэйкман (Frank Wakeman), менеджер по маркетингу и технической поддержке Westcode. – «Обеспечиваемое такими кулерами высокоэффективное охлаждение позволяет потребителям повысить плотность мощности в их системах и, одновременно, значительно сократить занимаемый объем».