笔记本电脑芯片温升特性研究及产品散热性能控制系统智能设计

胡海，张菁惠，孟宪春，夏利峰，叶振兴

（合肥联宝信息技术有限公司，安徽 合肥 230601）

0 引 言

智能制造技术是基于先进的信息通信技术与先进的制造技术，并结合人类专家知识库组成的一体化系统，贯穿于产品制造的全生命周期的各个环节。智能制造技术可以在产品制造过程中的对人类专家的智能活动进行分析、判断、推理和决策，取代制造环境中的部分人力劳动，甚至在产品卖出后，进行产品性能追踪，反馈，从而对产品整个生命周期的性能、参数进行实时的跟踪。随着新一代信息技术的应用与发展，智能制造已成为国内外制造业发展的共同趋势，成为新一轮工业革命的核心驱动力[1，2]。

智能制造会逐渐走向数字化、网络化、智能化制造，属于多种技术的综合应用，且这种模式突出了知识在制造活动中的价值地位，使智能制造成为影响未来经济发展过程的重要生产模式。根据生产过程中产品的差异性，各个制造业大厂分别在进行不同的智能制造技术升级。本文结合我司笔记本电脑设计、生产过程中的特点，提出了一种可以实现笔记本电脑在生产过程中，产品在客户终端使用过程中均可以实时检测CPU 温升，以及散热模组的散热性能控制方式，并经过实验测试和产品导入过程，目前正在正常运行，为企业的智能制造升级提供了助力。

1 理论分析

1.1 原理分析

笔记本电脑芯片在工作过程中，其功耗消耗会引起芯片本体及芯片周边空气及主板上元器件温度的上升。笔记本电脑主板上的芯片和元器件均有一定的使用温度范围，在过高的本体温度和周围环境温度条件下，很多元器件无法正常工作，会导致电脑的基本功能的丧失。而由于近年来笔记本电脑芯片功耗逐年增高，芯片工作时产生大量的热量，直接影响其工作寿命，同时也会导致周围元器件的失效。55%以上的电子设备及其器件的失效是由于过热引起的，温度每增加1 ℃，电子器件可靠性就会下降5%[3，4]。根据每种型号的笔记本电脑进行散热模组的设计和匹配是重要的产品研发环节，同时，散热模组在生产线上的正确组装和锁紧，更是将产品从设计到生产出来的重要过程。笔记本电脑在制作过程中需要大量的人力进行组装，人员的工作素质或者对产品的熟悉程度不够，螺丝未锁，或者散热模组中的某些组件来料不良，导热系数低，均会导致从芯片到环境的散热路径的热阻急剧变大。在CPU 加载重载情况下，芯片热量不能及时散出去，会导致整机降频甚至直接由于温度过高导致强制关机的风险，这样的失误会造成产品大规模回收的事件，对企业的经济和品牌形象造成了一定的影响。

结合智能制造技术，通过理论分析，设计出简单快捷的测试程序，在生产过程中短时间内就可以判断整机产品螺丝是否锁附良好并且判断从芯片到环境的热阻符合设计要求，防止有问题机台流入用户手中，并且在良品卖出到客户处，通过系统及网络的控制，对产品进行定期的性能检测，在散热模组出现性能不足时，提醒客户更换散热模组从而保证整机性能使用正常，是本文对笔记本电脑在智能制造方面提出的一种控制方式。

1.2 CPU 散热路径分析

本文利用某型号笔记本电脑为原型，对其在CPU 重载加载的瞬态条件下CPU温升变化进行理论和实际测试分析，设计了一款测试可以自动判断笔记本电脑CPU 到空气间散热路径上的综合热阻是否满足设计要求的判定程序[5-7]。热量传递主要有三种方式：热传导、热对流、热辐射。在笔记本电脑散热过程中，这三种方式都有发生。热量传递过程中，热阻单位为℃/W，其物理意义就是传递1 W 的热量需要多少度温差，在热设计中将热阻标记为R。图1为笔记本电脑芯片热量传递的原理结构图和热阻结构图。

图1 笔记本电脑芯片原理及热阻结构图

式（1）代表了从芯片中心到外界环境的热阻计算公式。其中：Rja为热量从芯片传递到外界空气环境的总热阻；Rjc为热量从芯片中心传递到芯片壳体的热阻，常称为结壳热阻；Rcs为热量从芯片壳体表面经过热界面材料传递到热管表面的界面热阻；Rsa为从散热模组传递到空气环境中的综合热阻（含导热热阻和对流换热热阻）。

这三个热阻组成部分里面，Rjc取决于芯片本体的封装结构，与整机系统安装过程无关；Rsa的值的大小取决于散热模组热管组件叠层结构的设计，此结构一般由热管焊接一个金属块组成，模组制作完成后，此值也很稳定不会受组装影响；Rcs是芯片表面和热管组件接触面之间的接触热阻，取决于热界面材料和芯片和散热模组界面之间的压力值。图2为热界面材料应用的理论分析图。热界面材料（Thermal Interface Material）是用于涂敷在散热器件与发热器件之间，降低它们之间接触热阻所使用的材料的总称。由于表面均会有粗糙度，所以两个接触表面之间，均不可能完全接触在一起，总会有一些空气间隙在其中，而由于空气的导热系数非常小，因此就造成了较大的接触热阻，而热界面材料就可以填充这个空气间隙，降低接触热阻，提高散热性能。

图2 界面材料应用场景

笔记本电脑芯片的安装过程中，热界面材料涂敷在热管组件的表面，由螺丝将整个散热模组锁附在主板上，芯片和散热模组之间通过热界面材料进行传热，而芯片和散热模组之间的接触热阻就取决于热界面材料的导热系数和安装时候的安装压力，即Rcs的值对CPU 散热效果影响很大。当螺丝锁付良好的时候，热界面材料被压缩到设计值，起到良好的导热作用；而当整机组装过程不良，散热模组锁付不良，导致热界面材料受不到一定的压力，无法起到填缝的作用，当CPU 加载重载时，温升会明显变大。

2 仿真分析及结果

本文采用FLotherm 软件对某整机笔记本电脑在组装过程中散热模组锁附不良造成的CPU 瞬态温升变化进行了热仿真计算。为了研究CPU 在瞬间加载重载过程中，芯片功耗上升造成的CPU 核温瞬间上升的变化过程，建立了板级系统模型，并采用瞬态分析模型进行计算。主板及散热模组等模型的材料选型及参数如表1所示，板级仿真模型如图3所示。

图3 板级仿真模型图

表1 主要元器件属性

在表1中材料的导热系数都是取的该笔记本电脑材料的实际值，其中CPU grease 即CPU 表面与散热模组之间的导热界面材料，常规的用导热膏。芯片瞬态加载重载过程中芯片向壳体外部传递热量主要通过导热实现。本文研究的内容是螺丝锁付不良造成的CPU 瞬态温升的差异，为了能用软件仿真模拟螺丝锁付状态不良造成的CPU 温升的差异，分别将CPU grease 的导热系数设置为0.03、0.3、1 和3 W/m.K等几种不同的值来仿真模拟计算螺丝不锁、螺丝锁附1 颗、螺丝锁附2 颗和螺丝正常4 颗全部锁附良好正常状态下，芯片本体的瞬态温升变化。通过以上参数设置，利用Flotherm进行瞬态仿真计算CPU 温升，得到图4中随着导热界面材料导热系数变化，CPU 瞬态温升的差异，其中，CPU 温度结合实际产品运行过程，设置了105 ℃的阈值，即当CPU温度达到105 ℃，即停止温升。从图4中不同界面材料导热系数条件下CPU 在10 秒以内瞬态温升变化可以看到，当螺丝锁付不良导致芯片和散热模组之间的界面热阻变大时，CPU 瞬时温升上升速度很快。

图4 不同界面材料导热系数条件下CPU 在10 秒以内瞬态温升变化

3 实验结果

从以上的理论和仿真分析结果可以看出，笔记本电脑整机散热模组螺丝锁附不良，会导致整机性能下降，而且如果生产线员工无法及时查出这种问题机台，很可能会造成机台流入客户手中产生性能不良的投诉案例。如果能够在生产线生产过程的中，采用动态法实时测试组装完成后的样机的芯片瞬态温度响应曲线，并且根据其温度响应曲线判断机台是否组装良好，就可以提前规避这个风险。本文设计了一段控制程序，并将该程序直接在笔记本电脑底层EC 代码中加入，即可以在生产线用于拦截不良机台，进行大数据收集和分析，确保厂商的散热模组到料的品质，还可以为下一代的产品设计的散热模组部件选型提供数据支撑。图5为本文设计的逻辑控制流程图。

图5 逻辑控制流程图

如图5所示，此段代码通过底层EC 代码导入，产品在当生产线上运行到此监测点时，此段逻辑代码被调用，风扇开启，瞬时给CPU 加满重载，让CPU 在短时间内功耗达到最大，并在短时间内（10 秒以内）判断散热模组是否安装良好的程序。该程序可以动态实时检测CPU 温度，采样频率为1 秒钟，CPU 温度的分辨率为1 ℃。该程序的目的是利用在短时间内测试CPU 瞬态温度响应曲线，并将测试曲线转换成函数，并跟本机型的预留的函数判定阈值进行比较，给出整机是合格还是不良品的展示结果。为了实现这一目的，对整机系统进行螺丝锁附不良情况下CPU 的温升进行重复性测试。图6为本文中采用的机型实物图和对应的CPU 芯片部分的散热模组锁附实物图。

图6 整机散热模组锁附实物图

为了对仿真结果进行准确性验证，需要进行整机实验测试。笔记本电脑整机的热测试实验环境采用行业的标准chamber 进行测试，环境温度控制在25 ℃，使用EC 底层逻辑中加入逻辑控制代码进行控制，使CPU 在短时间内加载最大的负载，同时测试每秒钟CPU 的温度数值。为了对比不同的螺丝锁付状态下，CPU 温升效果，设计了螺丝正常锁附、锁附1 颗螺丝和不锁螺丝三种实验条件进行测试。图7为经过多台样机测试后，得到的这三种状态下，CPU 核温瞬态温升响应曲线。从图7中曲线群可以看出，正和图4中仿真结果呼应，这三种条件下，CPU 瞬态温升响应曲线的升温速率相差较大，将温升曲线利用最小二乘法的高等数学变换方法变换成温度和时间的曲线关系，发现曲线斜率差异很明显。

图7 三种状态下加载过程中CPU 核温瞬态温升响应曲线

图8为重复测试几十台不同螺丝锁付效果的机台的CPU瞬态温升响应曲线对应的温升斜率值的分布，得到如下结论。

图8 温升斜率值判定阈值设定

由图8可得到以下结论：

（1）同一种结构的测量重复性非常好；

（2）测试结果显示，全不锁和全锁可以区分比较明显，只锁一个螺丝的也可以区分开来，锁两个螺丝的，尤其是锁对角螺丝的，不好区分；

（3）根据图8中数据可以设定该型号机台生产过程中散热性能判定的阈值，根据计算出来的线性回归系数值，当a＞4.2 代表螺丝没锁，或者只锁了一个，是NG 的，小于这个数值的代表OK；

（4）以上数据是按照正常的样品测试了5 个模组，每个模组重复测试三次以上得到的结论，理论上可以代表批量的数据。

通过以上的分析，该种机台在生产线上运行时，到了此检测点的时候，开启检测程序，此程序可以判断生产机台的散热性能是否满足设计要求，即当某机台生产过程中检测该值超过设计阈值的时候，判定产品CPU 散热不良，会被判定不合格，打回维修区进行处理，避免问题产品流出。

4 结 论

本文采用flotherm 软件，针对某款笔记本电脑用芯片，对板级模型条件下CPU 的瞬态温升进行了仿真，得到不同的界面热阻条件下，CPU 瞬态温升的差异。通过将控制代码写入笔记本电脑EC 底层，调用CPU 的加载以及温升记录和判断，从而实现生产线上实时检测笔记本电脑整机螺丝锁附是否良好的效果。从生产线生产过程中第一时间发现问题机台，避免问题机台流入客户手中，从而实现笔记本电脑散热效果的智能制造。

本文主要结论如下：

（1）通过瞬态温升仿真结果判定不同界面热阻条件下，CPU 核温温升差异很大；

（2）通过EC 底层控制逻辑中导入控制代码实现短时间内对CPU 进行功耗加载核温度实时检测；

（3）可实时通过底层逻辑代码检测CPU 等半导体器件结温温升特性从而定位组装缺陷问题；

（4）用来帮助产线在实际生产过程中评价导热材料的散热效果，评估供应商到料的散热模组的优良，并为下一代产品的设计提供大数据支撑；

（5）不需要额外人力安排，只需要背景服务程序在10秒内完成整机检验并反馈问题点；

（6）可用于产品使用时间长后，热管、风扇老化造成的性能下降，CPU 温升过高的判定。加上此散热特性斜率的计算，当系统的散热斜率特性老化到下限值后，我们会主动提醒使用者这个现象让使用者尽速维修来避免老化造成的使用者体验差还有热造成电池膨胀所带来的危险。