随着物联网（IoT）和边缘计算技术的快速发展，边缘设备对算力的需求呈指数级增长。AI芯片作为边缘计算的核心组件，其高功耗特性带来了严峻的散热挑战。如何在PCBA加工和SMT贴片工艺中设计高效散热方案，成为保障设备稳定运行的关键。深圳PCBA加工厂-1943科技结合PCBA加工和SMT贴片技术，探讨AI芯片散热方案的设计要点。
一、AI芯片散热的核心问题
AI芯片在边缘计算设备中承担复杂的数据处理任务，其功耗可达数十瓦甚至上百瓦。热量主要通过以下路径传导：
- 芯片→TIM（导热界面材料）→封装→PCB→散热器
其中，PCB的散热设计直接影响芯片结温（Junction Temperature, TJ），而SMT贴片工艺中的元器件布局和PCBA加工中的铜箔设计则是关键环节。
二、PCBA加工中的散热设计策略
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大面积铜箔与热过孔设计
- 铜箔面积：根据知识库中的研究，连接铜皮的面积越大，结温越低。建议在AI芯片周围铺设大面积电源地铜箔，以降低热阻。
- 热过孔阵列：通过仿真验证，6×6的热过孔阵列（间距1mm）可使结温降低4.8°C，并显著缩小PCB顶面与底面的温差。热过孔需贯穿多层PCB，增强垂直方向的热传导效率。
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IC背面露铜与散热焊盘
在PCB背面设计露铜区域，直接接触IC背面的散热焊盘，减少铜皮与空气之间的热阻。此设计需结合PCBA加工中的精确钻孔和电镀工艺，确保散热路径畅通。
三、SMT贴片工艺中的散热优化
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元器件布局与热分区
- 热源分散：大功率AI芯片需远离热敏器件（如小信号晶体管、电解电容），并分散布局以避免热集中。
- 风道设计：根据气流方向，将大功率器件布置在PCB边沿或顶部，利用自然对流或强制风冷提高散热效率。
- 热检测器件位置：温度传感器应放置在AI芯片最热区域，确保实时监控与反馈。
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SMT贴片中的散热面积估算
根据知识库中的散热面积估算方法，需确保AI芯片的θJA（热阻）满足设计要求。例如，若芯片功耗为1W，环境温度85°C，最大允许结温140°C，则需至少500mm²的铜箔面积。SMT贴片工艺中需通过精确的回流焊和焊膏印刷控制，避免因焊接不良导致的局部热阻升高。 -
热过孔与散热焊盘的SMT兼容性
在SMT贴片过程中，需确保热过孔与散热焊盘的焊接可靠性。例如，采用回流焊时，需优化焊膏印刷厚度和加热曲线，防止过孔堵塞或焊料不足。
四、液冷与相变冷却技术的结合
对于高功耗AI芯片（单芯片散热量>450W），液冷成为唯一可行方案。
- 直接芯片冷却（DCC）：通过冷板通道与芯片表面接触，利用水的高热传导效率（为空气的3600倍）快速导出热量。
- IBM嵌入式微通道技术：将介电液泵入芯片堆叠的微观间隙，通过相变（液→气）带走热量，测试表明可降低结温25°C。
- NVIDIA液冷MGX封装：结合液冷机架级架构，为DGX GB200 SuperPod提供高效散热支持，满足720 PetaFLOPS的算力需求。
五、PCBA加工与SMT贴片的协同优化
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材料选择
- 使用高导热率的PCB基材（如金属基板或陶瓷基板），减少热阻。
- 在SMT贴片中，选择低热膨胀系数的导热胶（TIM1）和相变材料（TIM2），确保芯片与散热器的紧密接触。
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工艺控制
- PCBA加工：通过数控钻孔和精确电镀，保证热过孔的导通性和耐久性。
- SMT贴片：采用高精度贴片机和AOI检测设备，确保元器件位置和焊接质量符合散热设计要求。
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仿真与测试
- 利用热仿真软件（如ANSYS Icepak）模拟PCB的温度分布，优化铜箔面积和热过孔布局。
- 在SMT贴片后进行红外热成像测试，验证实际散热效果。
六、总结
物联网边缘计算设备的AI芯片散热方案需从PCBA加工和SMT贴片全流程入手：
- PCBA加工阶段：通过大面积铜箔、热过孔和3DVC散热器设计，提升热传导效率。
- SMT贴片阶段：优化元器件布局、散热面积估算及焊接工艺，确保散热路径可靠。
- 高功耗场景：结合液冷或相变冷却技术，突破传统风冷的性能瓶颈。
随着AI芯片功耗的持续攀升，散热设计需与先进封装（如CoWoS）、边缘计算平台深度集成，推动物联网设备向更高能效和稳定性演进。
因设备、物料、生产工艺等不同因素，内容仅供参考。了解更多smt贴片加工知识，欢迎访问深圳PCBA加工厂-1943科技。
2024-04-26
