隨著芯片制造技術的不斷進步，芯片封裝變得越來越復雜，尤其是在汽車和嵌入式設備中。這些設備通常具有小尺寸和高集成度，使得散熱問題愈發嚴峻，影響到設備的可靠性和使用壽命，汽車如何從芯片和結構設計中解決這些挑戰及其潛在解決方案。

Part 1

將芯片嵌入堆疊芯片組件會產生顯著的散熱問題。過去，這些復雜設計主要用于數據中心等環境，通過轉移部分計算負荷可以迅速解決過熱問題。然而，隨著技術的發展，這些堆疊芯片組件逐漸應用于安全關鍵的場景，如汽車傳感器和心臟起搏器。

熱循環對芯片的可靠性有著直接影響。每次芯片開啟或關閉時，都會經歷加熱、冷卻、膨脹和收縮的過程。當芯片被緊密封閉時，冷卻時間顯著延長，增加了故障風險。

熱管理絕對必要。如果管理不當，可能會導致性能損失、運行不可靠、設備故障和系統成本增加。許多嵌入式設備涉及不同材料，這些材料的熱膨脹系數不同，容易導致芯片翹曲和變形，進一步破壞計算元件和基板之間的連接，降低設備性能。

嵌入式設備中不僅元件本身產生熱量，鄰近元件也會對其產生影響。例如，汽車傳感器可能因位置不同而受到熱量和振動的影響。這意味著熱應力和機械應力都會成為問題。封裝層面的異質性增加了設計的復雜性，使得熱管理更加困難。

傳統冷卻方案如風扇和散熱器在嵌入式設備中并不總是理想選擇。風扇會產生電氣干擾，且易損壞，影響系統可靠性。隨著晶體管數量的增加和運行速度的提升，散熱需求也隨之上升。即使是高效的散熱器也難以完全解決熱量積聚的問題。

環境溫度和使用場景也會對設備的熱管理提出額外挑戰。例如，設備可能需要在極端溫度條件下工作，如鳳凰城的高溫或加拿大埃德蒙頓的低溫。設計師必須考慮這些環境因素，并預留足夠的安全裕量，以應對可能的極端情況。

Part 2

為解決這些散熱問題，設計師可以采取多種方法。在設計周期的早期進行廣泛的熱模擬和原型設計是關鍵。利用數字孿生技術可以更準確地預測實際工作負載下的熱表現。物理層面的改進也至關重要。可以在封裝中采用各種冷卻形式，如散熱器和熱界面材料（TIM）。將芯片堆疊時，可以通過引入銅柱等結構來幫助散熱。

多物理角度的熱模擬也非常重要。Ansys的Swinnen指出：“熱模擬需要體積網格而不是表面網格，因為熱量在三個方向上流動。” 利用設備的體積網格，能夠更準確地模擬功率擴散和環境溫度的影響。

散熱問題是嵌入式和分立設備設計中的一個長期挑戰。功率密度的增加使得散熱變得更加困難。未來，解決這些問題可能需要新材料（如玻璃基板）和對現有組件的新思維。設計師必須在功率、熱管理和設備性能之間找到最佳平衡，以確保設備在各種環境下的可靠性和安全性。

小結

散熱問題的解決不僅僅是技術上的挑戰，更需要創新的思維和多學科的協作。通過不斷優化設計和制造工藝，我們可以在嵌入式設備中實現更高效的熱管理，為智能駕駛和其他關鍵應用提供更可靠的支持。