芯耀
与非AI
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公众号 | 高速先生，作者 | 孙小兵
液冷是以液体作为传热介质实现热量传递的散热技术，浸没式液冷是将电路板直接浸泡于绝缘冷却液中，根据其工作模式又可分为单相循环与两相相变两种。常用冷却液包含合成烃、硅油、氟化液等介电绝缘材料，可在不造成电气短路前提下完成散热换热。相较于传统风冷和冷板式液冷，浸没式液冷换热效率更高，能够承载单机柜超高功耗，有效降低机房 PUE 值，改善设备温度均匀性，同时减少风扇噪声与灰尘侵蚀，适配高密度算力部署需求。
由于冷却液材料性质不同于空气，将对高速信号的传输带来各类负面的影响。一般冷却液的介电常数DK高于空气，从而会影响传输线的阻抗连续性。冷却液的损耗因子DF对传输线的损耗也会有一定的恶化影响。因此采用常规的传输线计算工具已经无法分析此类场景。
使用仿真工具对微带线建模，验证环境介电特性对传输线特性的影响，这里冷却液材料参数设定为DK=2.6，DF=0.05。根据仿真结果对比可知，在冷却液环境中，传输线的阻抗将偏低5~6ohm，回波损耗明显恶化，插入损耗在16GHz频点位置从-1.004dB增大到-1.384dB，损耗增幅接近38%。对于一个临界的高速链路系统而言，就需要关注这种损耗增大对系统裕量的影响。
对差分对过孔进行建模仿真验证，一对顶层到底层的换层孔，通过处理屏蔽掉了环境对表层线的阻抗影响。空心孔并没有做绿油塞孔的情况下，在空气和冷却液环境中的差异主要是过孔中间填充物介质发生改变。由右图TDR仿真结果对比可知，过孔在两种环境下阻抗差异很小，在冷却液环境下阻抗偏低不到1ohm。这主要是在高频传输下，由于趋肤效应，信号主要沿孔壁外侧传输，而孔壁内侧填充的冷却液对信号传输的影响很小。
针对表贴连接器一般是通过对焊盘正下方平面挖空做隔层参考来优化阻抗。如结果中红色曲线所示，经过优化后阻抗曲线基本保持在85±2ohm范围以内。但当外部环境更改为冷却液后，除了表层线阻抗降低外，焊盘位置的阻抗下降趋势更显著，阻抗最低点从原来的84.3ohm下降到72.8ohm，下降幅度达11.5ohm，这主要是外部环境介电参数发生改变，焊盘之间的耦合加剧导致。回波损耗曲线明显被恶化，插入损耗曲线也出现明显的抖动。
AC耦合电容是高速链路常见组成部分，该节点的阻抗优化也是高速链路设计的重要关注点。一般通过控制差分对电容*N/*P焊盘间距，以及焊盘正下方平面挖空做隔层参考等方式来优化这个位置的阻抗。在空间条件充裕的情况下，AC电容位置的阻抗可以优化到接近目标85ohm。但将外部环境调整为冷却液时，该位置的性能也将受到很大的影响，阻抗从83.7ohm下降到了74ohm，下降幅度接近10ohm，插入损耗曲线下降趋势也很明显，回波损耗曲线在16GHz频段位置从-47dB恶化到-16.9dB。
结合以上的仿真验证对比情况，说明浸没式液冷环境下，冷却液替代空气成为PCB外部环境材料，不仅会降低微带线，包括连接器和AC耦合电容等表层器件焊盘的阻抗，导致回波损耗恶化。还会增大微带线的损耗，这些都将会直接影响高速信号传输质量，引发信号完整性风险。因此在PCB设计阶段需结合冷却液介电参数，对走线的线宽线距，链路的阻抗进行预补偿，以降低液冷环境带来的电气性能恶化。
Q、本期提问：本文主要是从信号完整性的角度出发，探讨了浸没式液冷技术对PCB设计的影响。但还可能在哪些其他方面存在影响因素呢，欢迎大家讨论。
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