汽车芯片设计中如何解决散热的问题？

芝能智芯出品

随着芯片制造技术的不断进步，芯片封装变得越来越复杂，尤其是在汽车和嵌入式设备中。这些设备通常具有小尺寸和高集成度，使得散热问题愈发严峻，影响到设备的可靠性和使用寿命，汽车如何从芯片和结构设计中解决这些挑战及其潜在解决方案。

Part 1

散热问题的根源

将芯片嵌入堆叠芯片组件会产生显著的散热问题。过去，这些复杂设计主要用于数据中心等环境，通过转移部分计算负荷可以迅速解决过热问题。然而，随着技术的发展，这些堆叠芯片组件逐渐应用于安全关键的场景，如汽车传感器和心脏起搏器。

热循环对芯片的可靠性有着直接影响。每次芯片开启或关闭时，都会经历加热、冷却、膨胀和收缩的过程。当芯片被紧密封闭时，冷却时间显著延长，增加了故障风险。

热管理绝对必要。如果管理不当，可能会导致性能损失、运行不可靠、设备故障和系统成本增加。许多嵌入式设备涉及不同材料，这些材料的热膨胀系数不同，容易导致芯片翘曲和变形，进一步破坏计算元件和基板之间的连接，降低设备性能。

嵌入式设备中不仅元件本身产生热量，邻近元件也会对其产生影响。例如，汽车传感器可能因位置不同而受到热量和振动的影响。这意味着热应力和机械应力都会成为问题。封装层面的异质性增加了设计的复杂性，使得热管理更加困难。

传统冷却方案如风扇和散热器在嵌入式设备中并不总是理想选择。风扇会产生电气干扰，且易损坏，影响系统可靠性。随着晶体管数量的增加和运行速度的提升，散热需求也随之上升。即使是高效的散热器也难以完全解决热量积聚的问题。

环境温度和使用场景也会对设备的热管理提出额外挑战。例如，设备可能需要在极端温度条件下工作，如凤凰城的高温或加拿大埃德蒙顿的低温。设计师必须考虑这些环境因素，并预留足够的安全裕量，以应对可能的极端情况。

Part 2

汽车芯片中的解决方案与前景

为解决这些散热问题，设计师可以采取多种方法。在设计周期的早期进行广泛的热模拟和原型设计是关键。利用数字孪生技术可以更准确地预测实际工作负载下的热表现。物理层面的改进也至关重要。可以在封装中采用各种冷却形式，如散热器和热界面材料（TIM）。将芯片堆叠时，可以通过引入铜柱等结构来帮助散热。

多物理角度的热模拟也非常重要。Ansys的Swinnen指出：“热模拟需要体积网格而不是表面网格，因为热量在三个方向上流动。” 利用设备的体积网格，能够更准确地模拟功率扩散和环境温度的影响。

散热问题是嵌入式和分立设备设计中的一个长期挑战。功率密度的增加使得散热变得更加困难。未来，解决这些问题可能需要新材料（如玻璃基板）和对现有组件的新思维。设计师必须在功率、热管理和设备性能之间找到最佳平衡，以确保设备在各种环境下的可靠性和安全性。

小结

散热问题的解决不仅仅是技术上的挑战，更需要创新的思维和多学科的协作。通过不断优化设计和制造工艺，我们可以在嵌入式设备中实现更高效的热管理，为智能驾驶和其他关键应用提供更可靠的支持。

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