电子产品散热器_电子产品散热器件

在现代信息世界中，服务器负责存储和处理计算任务，是各类游戏娱乐、语音或图像识别、科研或工程计算等工作任务得以完成的核心产品。交换机和路由器则负责整理和传输信号。复杂的多功能产品总是有很多分类方式，服务器也是如此。

 

在现代信息世界中，服务器负责存储和处理计算任务，是各类游戏娱乐、语音或图像识别、科研或工程计算等工作任务得以完成的核心产品交换机和路由器则负责整理和传输信号复杂的多功能产品总是有很多分类方式，服务器也是如此。

从热设计角度，结构形态层面的分类对散热设计方案的实施影响更大：塔式服务器、机架式服务器和刀片式服务器。图7-3示意了这三类服务器的形态。

图7-4 某2U边缘服务器内部构件和散热相关物料相对位置服务器、交换机和路由器的工作过程均遵守通用的电子产品模块化分工协作机制强迫风冷是目前这类产品中最常见的温度控制手段，在可预见的未来，仍然会占据重要地位。

液体冷却正在逐渐流行，但最新的文件显示，需要到2025年达到新建数据中心内50%的液冷渗透率强迫风冷服务器内的其主要散热物料为：风扇、散热模组（型材散热器、热管或均温板焊接散热器）、导热界面材料散热器图7-4中已经表达了服务器中的核心热风险点是CPU。

当前，x86仍然是服务器中的主流CPU架构（ARM架构的CPU也已开始占据市场份额），单芯片功耗普遍在140W以上，部分高端CPU热设计功耗可达400W值得注意的是，热设计功耗并非芯片能跑到的最高功耗，而是基于当前散热手段能保持其安全运行的功耗。

服务器中CPU封装多采用LGA（LandGrad Array）方式，优点是方便更换（一般LGA封装的CPU可拆装数十次），缺点是尺寸大（对比对象为BGA封装），且需要较大的安装压力确保良好电连接图7-5示意了LGA封装的CPU和对应散热器形态。

这挤压了散热器设计的空间（厚度方向上Socket占据了空间，卡扣的固定方式也占用了原本可用于设计翅片的空间），同时，较大的压力，要确保散热器变形量满足要求，使得散热器基板不得不设计的比较厚重，这也使得相同高度空间下散热齿片面积降低、散热器整体风阻加大。

图7-5 LGA封装中单板上的Socket（左），CPU正反面（中），散热器（右）与服务器不同，交换机或路由器上的SOC通常是BGA封装，其安装应力较小高端的交换芯片功耗已经超过400W[4]，其散热挑战与CPU相比甚至更高。

部分厂家甚至将芯片封装自带的盖子去除，用来降低结壳热阻以及给上方安装的散热器出让高度空间这种情况下，交换芯片成为裸Die封装导热界面材料的选用变得非常困难：大尺寸的晶圆存在明显翘曲，而热阻极低的导热硅脂难以吸收高度容差，同时，高低温状态下晶圆高度呈现动态变化，加之晶圆表面光滑、与硅脂的结合力很低，使得导热硅脂的泵出变得明显。

这种应用于裸Die和散热器之间的界面材料，因其连接了晶圆和散热器，跳过了封装外壳，称为TIM 1.5开发结合力高、拉伸伸长率大（抑制泵出现象）、热阻低的TIM 1.5，是目前高功耗裸Die封装芯片热管理的关键课题。

解决大尺寸、高热流密度芯片接触热阻问题，需要多方面努力：1） 固态高导热界面材料的开发，如折叠石墨烯垫片、柔性金属导热片，笔者认为柔性金属导热片是很有应用前景的选项，因为其自身导热系数高，传导热阻极低，目前其总体热阻大主要是因为表面浸润性差，金属片和芯片之间、金属片和散热器之间均存在较大的接触热阻。

这种情况下，通过在金属片表面做特殊处理，强化表面浸润性，有望显著降低其传热热阻而金属片无挥发、强度高，其可靠性能得到有力保障；2） 新型封装基板材料的开发，如陶瓷基板、多层金属基板当前芯片翘曲的根本原因是各种材料热膨胀系数不匹配，使得温度变化过程中各组件形变量不同，导致翘曲。

用于制作电路板绝缘材料的有机树脂材料热膨胀系数远高于半导体，开发低热膨胀系数、高绝缘性、高导热率的基板材料有重大意义陶瓷和金属的热膨胀系数与半导体接近，导热系数远超树脂，是很有希望的选项其中陶瓷基板主要解决成本问题，多层金属基板除了成本问题，还需要开发高导热绝缘粘接层，涉及许多新工艺难题；。

3） 系统结构设计，如根据变形特征，引入高强度结构件，将热膨胀系数的不匹配带来的热应力使用高模量的结构件吸收而不产生明显的应变内存在服务器中以DIMM卡的形式存在，这在一定程度上提高了服务器在高度方向上的空间利用率，但使其散热手段受到限制。

为了强化CPU的散热，风冷服务器中通常会对CPU的散热器进行体积拓展体积拓展尺寸取决于硬件和结构预留的空间内存条在CPU两侧，限定了散热器的宽度极限，散热器要进一步拓宽，就需要通过高导热部件拉远，并使散热器延伸到内存条之外，提高换热面积，强化散热效果。

如图7-6所示，当前，散热器的拓展位置有位于内存条上游和位于内存条下游两种方式：1） 拓展的散热器体积位于上游时，体积拓展空间内的翅片接受冷风，CPU散热效率高，但DIMM区域进入的风被加热，DIMM散热恶化。

2） 拓展的散热器体积位于下游时，体积拓展空间内的翅片接受被内存条加热过后的热风，CPU散热效率相对较低，DIMM区域未被拓展空间直接影响温度（但相对没有拓展的散热齿片，系统阻力增大，DIMM区域风速下降，其温度亦会微弱上升）。

结合DIMM区域和CPU区域的特点进行散热平衡，合理分配服务器内散热资源（空间、冷风），是服务器散热器设计的重要内容。

图7-6 散热器拓展体积位于上游和下游示意[2]数据通信设备中常用到的散热器有三种：热管焊接散热器、型材散热器和铲齿散热器CPU热流密度高，降低扩散热阻对提高散热器换热效率非常有效通过热管将热源中心传递到远端的翅片，能够充分利用翅片面积，提高换热效率。

对于需要拓展空间的散热器（服务器散热领域称其为羊角散热器），热管成为将热量从主散热器传递到副散热器的关键部件

热管散热器虽然性能好，但其加工工序相对较多，成本高因此，对于功耗较低的CPU（通常不高于200W），当散热环境友好时，可以使用型材散热器或铲齿散热器当然，当芯片热量太高，热管散热器也无法解决（比如芯片功耗500W，结合热管最大传热量限制，大约需要10根φ6的热管才能传递如此大的热量，10根热管打扁后可能都无法在芯片表面上排得下），此时还可能使用3D VC散热模组，其成本远高于常规热管散热模组。

NVIDIA公司生产的H100人工智能计算板卡，其功耗已经超过700W，也带来了3D VC散热模组首次被大批量商用图7-7示意了某AI服务器上的散热模组

图 7-7 人工智能服务器GPU板卡上使用的3D VC散热模组CPU并非服务器中的唯一热风险源DIMM条因为间隙小，安装方式固定，当散热环境较差时，DIMM上的内存颗粒可能超温，此时可以通过导热界面材料贴附金属材质（通常为铝合金）的热扩展片，降低温度。

其它的如PCH芯片、电容器、驱动芯片，有时也有散热风险，但其功耗相对CPU通常很低，多数情况下也会在其上方锁固型材散热器解决图7-8示意了一个服务器内配置的焊接散热器和铝挤散热器

图7-8 服务器中，CPU通常用热管焊接散热器，其余小功耗器件则使用型材散热器交换机的功能是连接多台设备，让其进行信息或数据互通路由器则是连接运营商和交换机的设备根据使用场景不同（主要是数据吞吐量不同），交换机和路由器的形态尺寸和集成程度也有所区别。

参考文献[3]中可以找到目前市面上近乎所有的交换机和路由器类型交换机和路由器是数据中心中除服务器外，另外两个高热风险产品图7-9示意了交换机和路由器的形态

图7-9 RG-N18010-XH核心交换机（左）和RG-RSR-16M核心路由器（右）[4]与服务器类似，交换机和路由器内的主要热风险点，依然是SOC芯片不同之处在于，由于极高的数据吞吐量，交换机和路由器中还涉及光模块这一特殊部件，其散热往往无法使用和SOC类似的焊接散热器解决，是目前通讯产品内部普遍面临的散热瓶颈。

下文将对光模块散热进行单独论述对于机架式的高功耗、高密度路由器和交换机，通常采用刀片式设计，即使用机箱的风扇来提供风量，SOC上通常安装热管或均温板焊接散热器来满足温度要求图7-10示意了交换机上使用的各种散热器。

液冷的交换机和路由器还比较少，这主要是因为交换机或路由器主导了多台服务器的通信工作，单台交换机或路由器出现故障，将影响多台设备的通信

图7-10 某交换机内各功能单板上散热器分布