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自2022年5月起特斯拉电动车面临一场全球性的大召回，起因是新款MCU算力大幅提升引发“芯片过热”问题。这不禁引起我们的思考，车机芯片功耗跟随性能突飞猛进，它的“导热方案”要如何升级才好？
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芯片过热，特斯拉大召回！
自从特斯拉的“马总”晋升世界首富之后就一直是各路媒体的“流量密码”。
特别是在过去这一两个月里，他不是张罗着收购Twitter就是到处宣传美国经济“药丸”，颇有一种语不惊人死不休的气势。
以至于人们光顾着吃瓜看热闹了竟然都没怎么注意到，从五月份至今，他们家的Model电动车正深陷于一场全球性的大召回！
(https://www.usatoday.com/story/money/cars/2022/05/11/tesla-has-recalled-130-000-vehicles-heres-why/9730895002/)
此次召回是从美国先开始的——2022年5月10日，美国交通管理机构发布公告称特斯拉即将召回13万辆Model电动车。起因是自今年一月份以来，很多消费者都投诉2021新款Model的中控屏经常出现黑屏和死机。
调查后发现，这些问题都是新款Model的MCU3.0车载娱乐系统芯片过热造成的！
很快中国国家市场监督管理总局也出手了，要求特斯拉自5月23日起召回超过10万辆国产新款Model 3/Y！这基本上就是要把封城前后上海工厂好不容易造出来的电动车又全都收回去的节奏啊……
(https://new.qq.com/omn/20220517/20220517A07Y4Y00.html)
不过说句公道话，这回特斯拉也是真够冤的！
别人家的产品召回一般都是因为偷工减料或者设计缺陷；但是特斯拉这次芯片过热引发的召回，却是因为给自家的MCU3.0换上了一块性能过于强悍的芯片——AMD锐龙嵌入式处理器！
特斯拉2021新款Model3车载娱乐系统拆解
（YT@Ingineerix Tesla’s New Plaid Car Computer）
这块AMD锐龙处理器是基于Zen1+架构的定制化APU，图形和多媒体处理能力堪比独立显卡；再搭配上7纳米制程的Navi23 GPU，其算力直逼10000 GFLOPS！
毫不夸张地说，此时的MCU3.0车载娱乐系统就是一台媲美PS5和Xbox的专业游戏机！
2021新款Model娱乐系统性能堪比专业游戏机
（https://videocardz.com/newz/tesla-car-computer-features-zen-ryzen-embedded-apu-and-discrete-navi-23-gpu）
唯一美中不足的是，为了支撑如此之高的算力，它的功耗也跟着飙上了天——
两块AMD高性能芯片的TDP加起来竟然高达45+130W，足足比特斯拉上一代的车载娱乐系统MCU2.0的12W高出了十几倍！
这种程度的功耗必然带来大量的废热，要想保证系统持续稳定的工作，就得重新制定一套更加高效的“导热方案”来承接才行。
（Bilibili@智能电动）
但是，当我们看了拆机视频，却发现特斯拉在这件事情上好像并没有采取更多的措施。
因为画面显示，MCU3.0的芯片依然沿用了MCU2.0时期的材料方案——
一款粉红色的导热凝胶……
特斯拉2021新款Model3车载娱乐系统拆解
（https://asia.nikkei.com; YT@Ingineerix Tesla’s New Plaid Car Computer）
当然了，此处采用“导热凝胶”相信也是经过特斯拉仔细评估的——
毕竟MCU设备的工差都比较大，里面的发热元器件也是高矮不一，所以从吸收工差、填充缝隙的角度来讲，“导热凝胶”的确是一种很合适的材料。
再加上此前的MCU普遍都比较“佛系”，性能和发热量也都非常有限，因此但凡主流一点的“导热凝胶”基本都能胜任车机芯片的导热工作。
只不过，这次情况好像不太一样了——MCU3.0的性能竟然如此强大，而芯片的功耗也直逼专业游戏机！
此时的“导热凝胶”如果还是原地踏步，就算没有直接造成“芯片过热”，无疑也会成为整个热管理系统中的薄弱环节！
毕竟“导热凝胶”这种材料本来就有一个让人不太放心的参数——“热阻”！
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“热阻”
其实“热阻”的含义也可以套用“电阻”的概念来理解，它描述的就是“热量”在物体内传播的难易程度。
具体到芯片的温控，就是只要“导热材料”的本体/界面热阻够低，芯片的热量就能顺利传导到散热片上，最后结温也就能控制在安全的水平。
用于芯片“热管理”的导热材料
有关这个课题，汽车电子厂商“德尔福”早在08年就做过量化的实验——
他们先在丰田“普锐斯”的IGBT芯片上分别装配上两款导热材料，其中一款热阻高达1.0 cm2℃/W，而另一款的热阻则只有0.05 cm2℃/W。
相较之下“低热阻”那组情况就好很多了，热量顺利通过导热材料传到了散热片，最终芯片的温度被成功控制在了120℃的水平！
（数据来源：Thermal Interface Materials for Power Electronics Applications_G. Eesley）
如此看来，今天特斯拉遇到的“芯片过热”问题，人家德尔福早在十几年前就给出解决方案了——
只要给MCU3.0 换上一款更低热阻的导热材料，这芯片的温度不也就降下来了吗！
而至于什么样的材料“热阻”才更低，答案早就藏在“热阻值”计算公式里面了！
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界面厚度BLT
“热阻值”的计算公式告诉我们：导热材料的“热阻”和界面厚度BLT成正比，和导热率成反比。
也就是说，当我们拿到一份导热产品的TDS规格书，最应该关注的点是：
1)“导热率”够不够高，
2)“BLT”够不够低！
（参考资料：https://zhidao.baidu.com/question/2208074218810482428.html）
其中“提高导热率”这一条可谓近年来最热门的研究方向。不过以目前的技术水平，这项操作的“边际成本”是越来越高。以至于人们为了能将导热率继续提高个两三瓦，已经不惜动用到了超级昂贵的金刚石！
相比起来“降低BLT”这一条就真可谓是简单环保又省钱了！说直白一点，就是只要将导热材料尽量涂得“薄”一点就行了～
还是以导热凝胶为例，有研究表明，只要给它施加极大的压力，把它涂抹到理论可达的“极其薄”的程度，那么它的“热阻”也就能随之变得“极其低”了！
（参考文献：Effects of Thermal Interface Materials on Thermal Performance of a Microelectronic Package_Mathias Ekpu）
但问题在于，现实中的“导热凝胶”基本都是粘稠的“膏状”，在芯片可承受的30～40 psi装配压力下，“导热凝胶”被散热片压到几百微米的厚度之后就再也没办法继续变薄了……
这也就是为什么MCU3.0被拆开之后，露出来的“导热凝胶”是如此厚厚的一层。那么由此我们也就可以脑补其“热阻”将会大到何种程度了！
特斯拉MCU3.0芯片使用的“导热凝胶”
（https://asia.nikkei.com; YT@Ingineerix Tesla’s New Plaid Car Computer）
如此看来，这次至少在MCU3.0的“导热材料”方面，特斯拉应该还是有更好的选择才对。
比如可以参考一下那些经验丰富的半导体大厂，为了控制住“大功率芯片”的发热，他们往往会采用一种“超低BLT”的导热方案——
导热相变材料(PCM)！
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超低热阻的“导热PCM”
先看芯片一哥Intel，他们在产品规格书中披露，服务器D40AMP的核心处理器使用了一款名为“Honeywell PTM7000”的导热材料。
（Intel® Server D40AMP Family Technical Product Specification）
再看FPGA芯片头部厂商赛灵思，他们也在自己发行的“芯片热管理指南”中推荐了同款的导热材料“Honeywell PTM series”。
（Mechanical and Thermal Design Guidelines for Lidless Flip-Chip Packages）
而这两款备受半导体大厂推崇的产品，就是世界500强霍尼韦尔公司开发的PTM系列导热相变材料(PCM)！
（honeywell.com）
之所以叫“相变材料(PCM)”，是因为它能在固液两相之间变化——
室温下它是“导热垫片”那样的固体，但是当温度上升到40～50℃时，它又会融化成“导热硅脂”一样的液态。
这个特性就让导热PCM可以在芯片发热的时候变润变湿，不仅能很好地浸润芯片表面，更能被弹簧螺丝的应力压缩到极其薄的状态，进而获得一个“超低热阻”。
（YT@Ingineerix Tesla’s New Plaid Car Computer）
之前就有学者做过相关统计，他们按照“热阻”的分布将几种主流导热材料都放进了同一张图表。
结果发现，在低热阻方面，“导热PCM”这种材料本身就有着先天的优势。而其中霍尼韦尔的PTM7000系列产品，则更是具备了低至0.04cm2℃/W的“超低热阻”！
(参考文献：Thermal interface materials_Daniel Blazej, Ph.D.;Recent Advances in Thermal Interface Materials_Yongcun Zhou)
当然了，要说低热阻，“导热硅脂”也是同样不输“导热PCM”的。
而我们之所以没有拿它出来做比较，主要是因为“硅脂”这种材料有一个比较严重的短板——长期可靠性！
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高可靠性的“Honeywell PTM系列”
话说就在上世纪90年代初的时候，“导热硅脂”还是芯片导热的首选。
比如当年名噪一时的英特尔“奔腾”处理器，用到的就是一款导热率为1.2W/m.K的硅脂。
（Pentium PROCESSOR THERMAL DESIGN GUIDELINES REV 2.0）
不过随着芯片集成度的提高，“裸die”这种全新的封装形式出现了。
这种芯片不光发热量大而且还容易翘曲变形，所以“硅脂”涂在上面之后要不了多久就会出现变干(dry out)和泵出(pump out)的问题！
（图片非裸die芯片仅供参考；https://www.ekwb.com/blog/thermal-compound-guide/）
当时英特尔被这个问题搞得是不胜其烦，以至于在后来出版的“热设计指南”里干脆就把“导热硅脂”给“拉黑”了！
（Intel Atom Processor 200 Series THERMAL AND MECHANICAL DESIGN GUIDELINES）
而在那个时期，霍尼韦尔也还没和“导热材料”这个品类扯上半毛钱关系。
当时的他们正以独家供应商的身份“岁月静好”地向英特尔供应着芯片的集成散热盖(IHS)。
但是没想到这份平静很快就被打破了——英特尔竟然找了过来，要求霍尼韦尔帮他们解决一下这个硅脂的pump out问题……
在外人看来，这个举动颇有一点“看病走错科室”的既视感。但其实英特尔心里早就有打算了！因为他们知道，霍尼韦尔是一家特别擅长“跨界”的公司！
纵观霍尼韦尔的业务线，大到飞机航电系统，小到N95口罩，N多毫不相干的领域里都有他们的存在。更加令人称奇的是，无论是进入到哪个领域，他们几乎都能成为该行业的头部玩家！
正是看到了这一点，英特尔才希望霍尼韦尔能再次发挥一下“跨界”的特长，开辟出一个全新的方向来彻底解决硅脂pump out的顽疾！
（honeywell.com）
后来的事情也证明了英特尔的确很有眼光。
在他们的协助下，霍尼韦尔真的就开发出来了“导热PCM”这种全新的导热材料，一举解决了困扰行业很多年的pump out问题！
而他们的思路也的确跳出了传统“导热硅脂”的条条框框——竟然用长链分子的“相变蜡”完全取代了传统的小分子“硅油”！
最终的效果就是，维系导热材料微观结构的“内聚力”，从微弱的“范德华力”切换成了极其强韧的“化学键”。在面对芯片的高温和翘曲时，导热材料自然也就变得更加“抗造”了！
（CHALLENGES FOR SELECTING APPROPRIATE TIM2 MATERIAL FOR CPU_Priyanka Dobriyal)
时光荏苒，转眼间就到了2020年代。在过去的二十多年间，从消费电子到汽车电子，无数的应用案例都在证明着霍尼韦尔导热PCM的稳定可靠！
而他们最新的PTM7000系列产品，更是创造出了150℃高温环境2000小时依然稳定发挥的好成绩！在“低热阻”和“高可靠性”两个方面，同时吊打了对照组的“导热硅脂”和“导热凝胶”！
（数据来源：霍尼韦尔内部测试）
这可真的是“历史总是在不断解决问题中前进”——
若干年前的硅脂pump out曾令英特尔苦恼不已，但由此也催生出了全新的“导热PCM”；其影响延宕至今，又让今天的特斯拉多了一个选项来应对这次的“芯片过热”！
那么就让我们祝愿特斯拉的“召回问题”顺利解决吧！更希望经此一役，特斯拉也能像当年的英特尔那样，收获到一项更为成熟好用的“导热应用解决方案”！
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