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核心提示
随着算力的飙升，AI芯片的功耗尺寸都在增大。为此汉高公司推出了全新的导热PCM解决方案——贝格斯 THF 5000UT！
凭借超高的8.5W/m.K导热率、超低的装配压力、以及突破性的室温可拆卸性能，力求全面适配大尺寸AI芯片！
01
和ChatGPT聊AI芯片的“热管理”
在“芯片热管理”这个专业领域
ChatGPT显然还不太“智能”
早就听说ChatGPT的“陪聊”水平很是了得，只是注册账号实在是太过麻烦，所以一直都还没体验过。
恰好这次材料巨头汉高的导热PCM新产品——贝格斯 THF 5000HT 在宣传上需要查询很多AI芯片方面的信息，
于是以此为契机，我们终于想办法“玩”到了这个近期大火的“人工智能”！
ChatGPT关于AI芯片的回答
（https://chatgpt.org/zh/chat）
但让人大跌眼镜的是，在这个问题上它不仅没能说出来个一二三来，反而在常识性的认知方面“翻了车”——
因为没搜到相关信息，所以它就动用自己的算力“脑补”了一番，最后煞有介事地告诉我们AI芯片使用了……“导热硅脂”
ChatGPT关于AI芯片的回答
（https://chatgpt.org/zh/chat）
当然，这个答案我们也不能说它就是错的。毕竟“芯片+硅脂”的搭配本来就是最经典的热管理方案。
只不过到了“大数据”和“云计算”横行的今天，为了应对高算力带来的高热量，以GPU为代表的AI芯片们早已进化出了“裸芯片（bare die）”的形态。
这种形态的芯片抛弃了传统“带盖芯片（lidded die）”必备的散热盖（IHS），取而代之的是在晶粒（Die）上涂了热界面材料后就直接扣上散热器（heat sink）。
带盖芯片vs裸芯片
这么一搞芯片的散热效率的确是提上去了，但因为缺少了散热盖的“压制”，所以当“裸芯片”全功率运行起来之后，它的发热部位就会因为热胀冷缩而产生比“带盖芯片”严重得多的翘曲变形（warpage）！
带盖芯片vs裸芯片的翘曲仿真
（信息来源：Achieving Warpage-Free Packaging: A Capped-Die Flip Chip Package Design_Yuci Shen）
在这种应用场景之下如果还使用ChatGPT口中的导热硅脂，那么“裸芯片”每翘曲一次，硅脂就会被“挤走”一点。
长此以往，就必然出现硅脂泵出（pump out）之类的“可靠性”问题了！👇
不过平心而论，ChatGPT在这个问题上“翻车”倒也有情可原，毕竟这种垂直专业领域的内容在网上可谓是凤毛麟角。
就以国内最有“调性”的视频网站Bilibili为例，“DIY换硅脂”之类比较“水”的视频早就出了一大堆，但真正涉及到硅脂“可靠性”的测评其实也是直到近期才有Up主发布。👇
02
导热硅脂 vs 导热PCM
“裸芯片”2000次Power Cycling
导热硅脂败! 导热PCM胜！
总结起来，这个测评的思路就是在“带盖芯片”和“裸芯片”上分别涂装导热硅脂和导热PCM，然后让它们一起跑“甜甜圈”。
为了加速实验，“甜甜圈”程序的单次循环被设定成了“拷机8分钟+休息2分钟”，最终要在15天时间里完成超过2000次的功率循环（power cycling）。
不黑不吹地说，如此专业的操作已经颇有一点半导体厂商TTV测试的意思了！
当然最后的结果也非常直观——
在带盖芯片这一组，因为“散热盖”屏蔽了芯片的“翘曲”，所以导热硅脂和导热PCM谁都没出问题。
导热硅脂vs导热PCM的长期可靠性
（B站@极客温控）
但是到了裸芯片这一组就看出差距了。
因为没了“散热盖”的缓冲，所以芯片的“翘曲”就对硅脂和导热PCM都形成了直接的“挤压”。
然而结果却是只有导热硅脂被“挤”得出现了pump out；而导热PCM则依旧均匀地铺满整个芯片，丝毫没有“泵出”或“流失”的意思！
之所以有如此明显的差距，主要是因为两种热界面材的微观结构有所不同——
导热硅脂是由“短链”硅油和导热填料构成，简单粗暴地理解它就是一种油粉“和”出来的“泥浆”。
因为本身也没有什么“内聚力”可言，所以在遇到裸芯片翘曲的“挤压”后自然就“流失”掉了。
反观导热PCM就靠谱多了——
在它这里“短链”硅油被换成了“长链”树脂；由于树脂分子之间的“缠绕”与“摩擦”会提供一个持续的“内聚力”，因此即便受到裸芯片的“挤压”，它也依然能够保持住完整的形态！
导热PCM的微观结构
但问题是，缺少了散热盖保护的AI“裸芯片”极其脆弱，更高的“载荷”必然带给芯片更大的安全性风险！
结果就是看似完美的导热PCM，也终究不可避免地陷入到了一个“两难”的境地……
03
导热PCM的“两难”
“压”轻了热阻高，“压”重了芯片坏
导热PCM正面临“两难”局面
之前材料大厂道康宁就专门做过这方面的研究，他们用相同的“载荷”分别去“压”导热硅脂和导热PCM，然后再测量两种热界面材料在“热阻”上的差异。
结果发现，导热硅脂只需要很低的载荷（20psi）就能被压得很“薄”，进而得到了一个很不错的“低热阻”（0.055℃-cm2/W）；
但是轮到导热PCM可就费劲了！力道小了“压不动”不说，即便将“载荷”提升到了夸张的100psi，其“热阻”也依然处在一个比较高的水平……
(数据来源：Understanding Differences Between Thermal Interface Materials: Improve your ability to specify the optimum TIM_ David Hirschi, Dow Corning Corporation, Electronics Global Marketing Manager)
但是另一边的AI“裸芯片”偏偏又属于那种极其“娇贵”的元器件，散热器给的“压力”稍微大一点它就会“崩溃”——
此前就有研究人员做过这方面的实验，他们发现如果散热片的“载荷”始终保持在20psi以下，就能确保芯片的100%正常运行；
可是一旦“载荷”升高到了40psi的水平，“失效”问题就开始出现了；而随着“载荷”的进一步走高，芯片的“有效率”更是会出现进一步断崖式的下跌……
(信息来源：Recommendations for Maximum Compressive Force of Heat Sinks_Ugo Ghisla Applications Engineering)
@TubeTimeUS
）照理说“焊点”本来也没那么容易就被热应力撕裂，但是现在散热片的“载荷”一掺和进来情况就变得复杂起来了——
有研究表明，施加在芯片上的“载荷”会成为热应力的帮凶，“载荷”越大，芯片的焊点就越容易被热应力撕裂！
(信息来源：Reliability analysis of SnPb and SnAgCu solder joints in FC-BGA packages with
thermal enabling preload_Xuejun Fan)
有鉴于此，为了保证AI“裸芯片”的可靠性，业界普遍建议小于2分钟的“短期载荷”不要超过40psi；
而对于一直作用在芯片上的“长期载荷”，其上限更是被设定成了极低的20psi！
(信息来源：Heat Sink Mechanical Load Limits_www.avagotech.com)
04
“非典型”导热PCM——THF5000HT
更低粘度、无需预热、可室温拆卸
THF5000HT可谓“非典型”导热PCM
其实单看外观，贝格斯THF5000UT和普通的导热PCM貌似也没什么太大的差别，但是只要再看一下它们的“相变曲线”就能发现个中玄机了！
普通导热PCM的“相变曲线”是一条缓慢下行的斜坡——
这是因为其内部的“长链树脂”可以认为是一种粘弹态的“热塑性塑料”，即便温度升得再高，其“粘度”也不会下降太多。
结果就是虽然“相变蜡”已经在很努力地降低自己的粘度了，但是无奈“猪队友”拖后腿，最终导热PCM的整体“粘度”也只是缓慢下降而已……👇
(数据来源：henkel及互联网信息)
更重要的是，这种低热阻也通过了TTV可靠性测试的考验，即便经历了上千次功率循环依然保持住了这个性能！
(数据来源：henkel及互联网信息)
而THF5000UT另一个“非典型”的特征就是室温可重工。
由于导热PCM在相变凝固后的内聚力比较大，因此它对于芯片和散热器都会产生比较强的”粘接力“。
有研究人员专门做过这方面的实验，他们将导热硅脂、导热PCM、导热凝胶垫片等一众热界面材料都夹在25mm见方的治具上进行剪切强度测试。
(信息来源：Measurements of Mechanical Coupling of Non-curing High Performance Thermal Interface Materials_Margaret B. Stern)
(数据来源:Adhesion of Thermal Interface Materials for CPU Heatsinks, an Overlooked Issue_Margaret B. Stern)
但是再看THF5000UT，在这个问题上它显然已经跳脱出了限制——
即便处于室温环境，它与芯片散热器之间的“粘接力”也依然呈现出相对较弱的状态。
如果需要拆卸重工，无需再加热待其熔化，只要在室温下直接扭动散热器就可以安全又快速地将其拆卸下来！
快速相变、低粘度、低热阻、高可靠性与室温可拆卸性能——
凡此种种，都在告诉我们贝格斯THF5000UT是一款不同于传统导热PCM的新概念热界面材料！而更多产品的技术细节，汉高将在5月17日的新品直播中正式发布！
如果想进一步了解这款“非典型”导热PCM，就让我们预约直播，一起了解更多吧！
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