从热设计的角度看电子产品的发展趋势

核心提示：功耗远超100w的电子产品采用的常规方法是，第一代机型比较重视可靠性，因而会作非常精心的热设计，但产品升级换代，则会随着部件数量的减少及功耗的降低而逐步简化热设计。
7月11日，笔者代表《日经电子》拆解组在东京有明国际会展中心举行的“热设计及热对策技术研讨会”上，以“从产品拆解看最近的散热技术”为题作了演讲。
《日经电子》的演讲是“从产品看最新冷却技术动向”分会的演讲之一。该分会的主持人***尚树（thermal design laboratory代表董事）一直很关照本刊的热设计专栏，也十分了解拆解组的活动。本刊此前拆解了很多电子产品，并在《日经电子》、tech-on!及技术在线！网站等上做了介绍。此次接受***将这些内容从热设计的角度综合可能会很有意思的建议，笔者尝试着将以前的报道综合起来用于演讲。
此次将拆解按照游戏机、个人电脑及平板电脑等信息终端、手机分类汇总之际，确实看到了可以称为是热设计“轮廓”的东西。以游戏机为例，2000年索尼计算机娱乐（sce）上市的“playstation 2（ps2）”使用了重370g、相当于三个智能手机重量的大型散热片（图1），而兼具ps2的游戏功能与电视影像录制功能的“psx”（2003年）则采用了50mm×40mm×20mm的散热片，外形尺寸缩小了很多（图2）。因发热源——微处理器及图形lsi的集成化，而且改进了流向机壳内的冷却空气流，散热方法也为之一变。
图1 ps2的散热片
图2 psx的散热片
2006年问世的“playstation 3（ps3）”可以说发生了同样的情况。第一代机型是最大功耗为380w的电子部件集合体。为了冷却微处理器“cell”及图形lsi“rsx”，使用了外形尺寸为230mm×210mm×35mm的大型冷却风扇（图3）。
图3 第一代ps3的散热机构
而2009年推出的新款ps3则大幅缩小了冷却机构的尺寸。最初以90nm工艺制造的cell改成了45nm工艺等（rsx由90nm工艺改为65nm工艺），功耗的降低对冷却机构的小型化发挥了功效（图4）。
图4 新ps3的散热机构
功耗远超100w的电子产品采用的常规方法是，第一代机型比较重视可靠性，因而会作非常精心的热设计，但产品升级换代，则会随着部件数量的减少及功耗的降低而逐步简化热设计。
那么，功耗较小的产品采用什么样的散热方法呢？我们来看一下美国苹果的“macbook air”。2008年问世的第一代macbook air，其散热系统由微处理器散热板、冷却风扇，以及为了进一步散热而粘贴在电池及机壳内侧等的石墨薄膜构成（图5）。
图5 拆解第一代macbook air
而2010年第二代macbook air问世时，微处理器的制造工艺由65nm代升级到了45nm代，热设计功耗由第一代机型的约20w减半至约10w。散热方法上，用导热管代替了第一代机型的散热板，并与第一代机型一样，结合使用了风扇和石墨薄膜。但机壳内侧粘贴的石墨薄膜面积比第一代机型要大（图6）。
图6 拆解第二代macbook air
不仅仅是macbook air，其他公司的笔记本电脑也使用了石墨薄膜。比如，在笔记本电脑中首次采用高速光传输、2011年问世的索尼“vaio z”。该产品的机壳内侧仍然粘贴了石墨薄膜，估计是为了大面积散热（图7）。这种石墨薄膜也被广泛应用在智能手机上。日本厂商的手机以前就经常使用石墨薄膜，而“iphone”等智能手机则扩大了这种薄膜的覆盖面积。
图7 拆解vaio z
今后的热设计将会走向何方？考虑到层叠lsi封装的pop（package on package）及lsi芯片的三维层叠技术将越来越广泛地得到应用，估计今后的趋势是如何使层叠的lsi向机壳外散热吧。
这种趋势也体现在了2012年3月面世的新款“ipad”上。“ipad 2”采用了将dram重叠在处理器封装上的pop形式，而新款ipad未采用pop，而是在印刷电路板的正反面安装了处理器和dram。估计是为了避免处理器发热对dram的运行带来不良影响。而且，处理器并未安装在树脂封装上，而是以裸片形态安装在印刷电路板上，热量在芯片表面经由导热油传向散热片（图8）。
图8 拆解新ipad
该散热片上配置了导热膜，并贴在其上的金属壳（估计用来防止电磁噪声）上。散热路径是导热油→散热片→导热膜→金属壳。
一般来说，如果在树脂封装上不采取任何措施，封装内的芯片产生的热量只能从封装表面散发几个百分点。而散热路径几乎全在封装面的印刷电路板一侧。在这种情况下，如果采用裸片封装并可从芯片表面散热，则芯片产生的热量就会可以从两个途径：经由芯片表面散出3～4成，其余可经由印刷电路板一侧散出。
ipad的情况是，ipad 2之前印刷电路板均采用单面封装。新款ipad则改成了双面封装，因此能够采用上述散热方法。那么，已经采用双面封装的产品，比如智能手机该如何散热呢？将印刷电路板配置在其他位置以将pop形式安装的处理器和dram分开的余地几乎没有。那么，能采用三维层叠方式而非pop，比如基于tsv（硅通孔）的lsi芯片三维连接技术，利用以铜填充的tsv以及芯片之间的填料等来散热吗？
这样考虑的话，光是结合使用散热片、石墨薄膜及风扇的话，可以说很难确保充分的散热路径。在《日经电子》在筹备热设计研讨会的同时，作为《日经电子》拆解组，今后也将考虑深入到封装内部进行热设计方面的探讨。
热设计研讨会将于2012年8月21日、22日两天在大阪举行。届时将邀请前面提到的thermal design laboratory的***登台发表演讲。《日经电子》拆解组准备对有传闻称将于近期发布的小型电子产品做拆解分析