隨著物聯網（IoT）和邊緣計算技術的快速發展，邊緣設備對算力的需求呈指數級增長。AI芯片作為邊緣計算的核心組件，其高功耗特性帶來了嚴峻的散熱挑戰。如何在PCBA加工和SMT貼片工藝中設計高效散熱方案，成為保障設備穩定運行的關鍵。深圳PCBA加工廠-1943科技結合PCBA加工和SMT貼片技術，探討AI芯片散熱方案的設計要點。
一、AI芯片散熱的核心問題
AI芯片在邊緣計算設備中承擔復雜的數據處理任務，其功耗可達數十瓦甚至上百瓦。熱量主要通過以下路徑傳導：
- 芯片→TIM（導熱界面材料）→封裝→PCB→散熱器
其中，PCB的散熱設計直接影響芯片結溫（Junction Temperature, TJ），而SMT貼片工藝中的元器件布局和PCBA加工中的銅箔設計則是關鍵環節。
二、PCBA加工中的散熱設計策略
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大面積銅箔與熱過孔設計
- 銅箔面積：根據知識庫中的研究，連接銅皮的面積越大，結溫越低。建議在AI芯片周圍鋪設大面積電源地銅箔，以降低熱阻。
- 熱過孔陣列：通過仿真驗證，6×6的熱過孔陣列（間距1mm）可使結溫降低4.8°C，并顯著縮小PCB頂面與底面的溫差。熱過孔需貫穿多層PCB，增強垂直方向的熱傳導效率。
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IC背面露銅與散熱焊盤
在PCB背面設計露銅區域，直接接觸IC背面的散熱焊盤，減少銅皮與空氣之間的熱阻。此設計需結合PCBA加工中的精確鉆孔和電鍍工藝，確保散熱路徑暢通。
三、SMT貼片工藝中的散熱優化
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元器件布局與熱分區
- 熱源分散：大功率AI芯片需遠離熱敏器件（如小信號晶體管、電解電容），并分散布局以避免熱集中。
- 風道設計：根據氣流方向，將大功率器件布置在PCB邊沿或頂部，利用自然對流或強制風冷提高散熱效率。
- 熱檢測器件位置：溫度傳感器應放置在AI芯片最熱區域，確保實時監控與反饋。
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SMT貼片中的散熱面積估算
根據知識庫中的散熱面積估算方法，需確保AI芯片的θJA（熱阻）滿足設計要求。例如，若芯片功耗為1W，環境溫度85°C，最大允許結溫140°C，則需至少500mm²的銅箔面積。SMT貼片工藝中需通過精確的回流焊和焊膏印刷控制，避免因焊接不良導致的局部熱阻升高。 -
熱過孔與散熱焊盤的SMT兼容性
在SMT貼片過程中，需確保熱過孔與散熱焊盤的焊接可靠性。例如，采用回流焊時，需優化焊膏印刷厚度和加熱曲線，防止過孔堵塞或焊料不足。
四、液冷與相變冷卻技術的結合
對于高功耗AI芯片（單芯片散熱量>450W），液冷成為唯一可行方案。
- 直接芯片冷卻（DCC）：通過冷板通道與芯片表面接觸，利用水的高熱傳導效率（為空氣的3600倍）快速導出熱量。
- IBM嵌入式微通道技術：將介電液泵入芯片堆疊的微觀間隙，通過相變（液→氣）帶走熱量，測試表明可降低結溫25°C。
- NVIDIA液冷MGX封裝：結合液冷機架級架構，為DGX GB200 SuperPod提供高效散熱支持，滿足720 PetaFLOPS的算力需求。
五、PCBA加工與SMT貼片的協同優化
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材料選擇
- 使用高導熱率的PCB基材（如金屬基板或陶瓷基板），減少熱阻。
- 在SMT貼片中，選擇低熱膨脹系數的導熱膠（TIM1）和相變材料（TIM2），確保芯片與散熱器的緊密接觸。
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工藝控制
- PCBA加工：通過數控鉆孔和精確電鍍，保證熱過孔的導通性和耐久性。
- SMT貼片：采用高精度貼片機和AOI檢測設備，確保元器件位置和焊接質量符合散熱設計要求。
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仿真與測試
- 利用熱仿真軟件（如ANSYS Icepak）模擬PCB的溫度分布，優化銅箔面積和熱過孔布局。
- 在SMT貼片后進行紅外熱成像測試，驗證實際散熱效果。
六、總結
物聯網邊緣計算設備的AI芯片散熱方案需從PCBA加工和SMT貼片全流程入手：
- PCBA加工階段：通過大面積銅箔、熱過孔和3DVC散熱器設計，提升熱傳導效率。
- SMT貼片階段：優化元器件布局、散熱面積估算及焊接工藝，確保散熱路徑可靠。
- 高功耗場景：結合液冷或相變冷卻技術，突破傳統風冷的性能瓶頸。
隨著AI芯片功耗的持續攀升，散熱設計需與先進封裝（如CoWoS）、邊緣計算平臺深度集成，推動物聯網設備向更高能效和穩定性演進。
因設備、物料、生產工藝等不同因素，內容僅供參考。了解更多smt貼片加工知識，歡迎訪問深圳PCBA加工廠-1943科技。
2024-04-26
