本文由半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫（ID：ICVIEWS）編譯自semiengineering

熱管、蓋子、熱界面和微通道冷卻有助于消除芯片產(chǎn)生的熱量。

半導(dǎo)體集成度的提高意味著需要在更小的空間內(nèi)完成更多的工作，從而產(chǎn)生更多需要消散的熱量。

管理先進(jìn)節(jié)點芯片和多芯片組件的散熱對其功能和壽命至關(guān)重要。雖然人們的注意力主要集中在提高功率效率以降低功耗增長率，但僅靠這一點還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

還需要各種技術(shù)來幫助熱量向上、向下和向外移動。好消息是，我們在多個領(lǐng)域正在取得進(jìn)展。

工作量越大，熱量也就越多

電路工作所需的能量來自電源引腳，但并非所有能量都能轉(zhuǎn)化為功。部分能量會以熱量的形式浪費掉，必須將其從源頭移除并排放到環(huán)境中。成功的設(shè)計必須平衡耗散率和能耗率。但除了功率之外，還需要考慮芯片內(nèi)部熱量來源的面積。面積越小，功率密度就越高，對改進(jìn)冷卻策略的需求也就越大。

Promex首席運營官戴夫·弗羅姆 (Dave Fromm) 表示：“關(guān)鍵在于設(shè)法從幾平方厘米的面積中去除瓦特數(shù)的電力。單位面積的功率非常巨大。”

這也變得越來越成問題。“功率密度正在攀升，”安靠公司負(fù)責(zé)芯片/FCBGA集成的副總裁Mike Kelly說道。“銅混合鍵合等技術(shù)加劇了這一問題，因為3D堆疊的功率仍然集中在相同的x、y方向上。”

硅片的最大尺寸受限于用于構(gòu)圖的光罩（26 x 33 毫米），但封裝卻沒有這樣的上限。尺寸并非隨意，部分原因是業(yè)界尚未大規(guī)模生產(chǎn)如此大的封裝。生產(chǎn)線目前尚未配備相應(yīng)的設(shè)備。然而，更大的封裝會進(jìn)一步散熱，從而降低功率密度。

“我們并不是要把所有東西都放到一個固定的尺寸里，”凱利觀察到。“尺寸在不斷增大，這使得功率密度可能保持平穩(wěn)，或者上升得更緩慢。這與硅芯片不同，硅芯片有刻線限制。”

然而，更大的封裝尺寸可能更容易翹曲。“目前，60 x 60 平方毫米的封裝尺寸很常見，”安靠公司 chiplet/FCBGA 開發(fā)高級總監(jiān) YoungDo Kweon 表示。“安靠公司也正在生產(chǎn) 85 x 85 平方毫米的封裝尺寸。幾年后，我們將生產(chǎn)出超過 100 x 100 平方毫米的封裝尺寸。這意味著熱應(yīng)力可能會增加。”

材料的熱導(dǎo)率以W/Km為單位。路徑距離越短，熱導(dǎo)率越高，因此路徑上的任何東西越薄越好。

熱量在封裝中的傳播方式

熱量主要在有源硅層中產(chǎn)生。熱量從那里向上移動，在倒裝芯片封裝中，這意味著熱量會穿過體硅層到達(dá)封裝背面，最終流出封裝。熱量還可以通過PCB 上各種金屬連接向下移動，在某些情況下，熱量甚至可能向側(cè)面移動。具體移動方向取決于具體應(yīng)用。

“如果你觀察一下筆記本電腦之類的產(chǎn)品，就會發(fā)現(xiàn)它們的熱量來自芯片背面和主板的另一面，”凱利說道。“但對于數(shù)據(jù)中心和高性能計算來說，穿過主板的散熱路徑阻力很大。所以95%以上的熱量都是從頂部散發(fā)出去的。”

多年來，散熱器（有些帶有內(nèi)置風(fēng)扇）一直是高功率封裝的標(biāo)準(zhǔn)配置。它們由銅或鋁制成，金屬材質(zhì)的選擇取決于散熱器之后熱量的流向。

鋁的溫度變化更快，因為它會吸收封裝中的熱量。更大的溫度變化使熱交換效率更高。“對于相同尺寸的散熱器，改變銅的溫度比改變鋁的溫度更困難，”Fromm指出。

如果散熱器與空氣交換熱量，那么空氣必然流動。空氣的導(dǎo)熱性很差。如果散熱器與另一個導(dǎo)熱固體連接，那么銅可能是更好的選擇。銅的比熱容更高，這意味著它可以儲存更多的熱量，而溫度升高幅度不如鋁。因此，銅與空氣的換熱效率較低，但如果連接到另一個固體上，它可以非常有效地將熱量傳導(dǎo)到后續(xù)的散熱器中。

如果正在進(jìn)行的計算工作具有突發(fā)性，且空閑時間較長，那么銅線也可以搭配風(fēng)扇使用，因為它有更多時間與空氣進(jìn)行交換。“如果是短脈沖，且脈沖強(qiáng)度很高，且停機(jī)時間較長，那么銅線能夠更好地隨著時間的推移進(jìn)行衰減，”Fromm 說。“鋁線會瞬間變得非常熱。”

熱點芯片

熱點帶來了另一個挑戰(zhàn)。與其讓整個封裝同時散發(fā)足夠的熱量來處理所有熱點，不如使用散熱器來平均分配封裝內(nèi)的熱量。傳統(tǒng)的金屬散熱器位于封裝內(nèi)部。它可以是一塊獨立的金屬塊，也可以是一個與芯片導(dǎo)熱連接的金屬外殼。

“實現(xiàn)良好散熱的最佳方法是有效地沿垂直方向散熱，”凱利說道。“如果你能非常有效地散熱，熱點就沒有機(jī)會變得更熱，從而將熱量散發(fā)出去。”

連接散熱片和其他元件的方法是一個正在積極開發(fā)的領(lǐng)域。它們被稱為熱界面材料(TIM)，其作用是確保兩個表面之間形成一個保形層。“最好使用膠水，但如果它不支撐部件，人們也會使用油脂，”Fromm 解釋說。“關(guān)鍵在于消除氣隙。理想的 TIM 材料能夠保持原位，但從應(yīng)力角度來看，它具有很好的保形性。”

典型的封裝可能包含兩個TIM，有時稱為TIM I（羅馬數(shù)字1）和TIM II。“封裝內(nèi)部有兩個不同的接口，”Kweon說道。“一個位于[散熱器]和[導(dǎo)熱片]之間。另一個位于芯片背面[和導(dǎo)熱片]之間。”

圖1：熱界面材料的兩種典型應(yīng)用。TIM I 位于芯片和散熱器之間；TIM II 位于散熱器（在本例中為外殼）和散熱器之間。箭頭表示散熱方向。來源：Amkor

金屬TIM即將問世

傳統(tǒng)的TIM主要由聚合物制成。但由于聚合物導(dǎo)熱性不佳，它們通常會摻雜導(dǎo)電添加劑。“人們正在用碳、石墨或各種高導(dǎo)熱金屬來摻雜它們，”Fromm說道。“金剛石是另一種人們開始使用的填料。金剛石的熱活性可能比銅高5到10倍。”

即便如此，TIM 的導(dǎo)熱性往往較差，因此保持其層數(shù)較薄有助于盡可能縮短熱路徑。它們對于散熱功率約為 100 W 的封裝來說已經(jīng)足夠好，但預(yù)計新型芯片和先進(jìn)封裝的散熱功率將超過 1,000 W，這將對現(xiàn)有材料構(gòu)成挑戰(zhàn)。

如今，金屬TIM（尤其是銦合金）的熱導(dǎo)率大幅提升。Amkor公司發(fā)現(xiàn)，改用銦合金可以將芯片結(jié)溫降低10°C以上。“（使用聚合物TIM）溫度升高10°C通常意味著芯片壽命縮短一半，”Kweon指出。“現(xiàn)在很多客戶都希望（用于功率高于400W的芯片）采用金屬TIM。”

圖2：采用金屬TIM的模壓FCBGA。來源：Amkor

TIM受熱膨脹的速度與其附著材料不同，因此粘合劑可能比潤滑脂承受更大的熱應(yīng)力。對于Kweon預(yù)見到的幾年后出現(xiàn)的更大尺寸封裝來說，這可能是一個問題。“這意味著，如果你使用聚合物TIM，它可能無法很好地工作，因為芯片邊緣周圍的拉伸應(yīng)力可能導(dǎo)致分層，”他說。

系統(tǒng)側(cè)組件

流動空氣所能提供的冷卻效果有限，因此，對于更具挑戰(zhàn)性的組件，液體的使用方式多種多樣。用液體（浸沒式）包裹封裝或子系統(tǒng)比用空氣更有效地散熱。

“到了一定程度，當(dāng)功耗達(dá)到 800 到 1200 瓦時，根據(jù)封裝結(jié)構(gòu)的不同，風(fēng)冷系統(tǒng)就無法再維持了，”Kelly 說，“你必須采用某種液冷技術(shù)，讓冷卻液直接與芯片接觸，從而提供低溫。”

這需要一個封閉的系統(tǒng)，液體可以在其中從發(fā)熱組件循環(huán)到交換器，該交換器可以冷卻液體，然后再返回到封閉的循環(huán)中。這還會提高芯片和冷卻液之間的溫度梯度。“這會導(dǎo)致各處的應(yīng)力都更高，”凱利指出。“好消息是，現(xiàn)在的IC封裝材料比10年前好多了。”

傳統(tǒng)的液冷技術(shù)完全依賴于液體，但更先進(jìn)的技術(shù)則結(jié)合了液相和氣相。“最先進(jìn)的冷卻方法是兩相沸騰流，”新思科技高級工程師Satya Karimajji 表示。

浸沒式冷卻技術(shù)將液體冷卻技術(shù)更進(jìn)一步，將整個系統(tǒng)浸入流動的液體中，其散熱效率遠(yuǎn)高于其他技術(shù)。然而，這種方法復(fù)雜且成本高昂，因為系統(tǒng)必須密封以容納液體。研究的重點是尋找最有效的液體。“他們正在研究可以使用的不同類型的介電流體和制冷劑，”卡里馬吉說。

當(dāng)空間有限時

液體/氣體散熱也有兩種不同的方案。均熱板雖然并非新技術(shù)，但作為一種散熱方式正變得越來越流行。“如今，許多客戶正在轉(zhuǎn)向在封裝頂部加裝冷卻板的均熱板，”Kweon說道。

均熱板并非采用金屬塊，而是采用密封腔體，腔體內(nèi)的蒸汽一側(cè)與芯片接觸，另一側(cè)則設(shè)有冷卻板。均熱板屬于兩相系統(tǒng)，熱源側(cè)充當(dāng)蒸發(fā)器，冷源側(cè)充當(dāng)冷凝器。均熱板內(nèi)部通常含有某種芯吸材料，有助于將冷凝液帶回蒸發(fā)器。

“假設(shè)熱量在一個很小的區(qū)域內(nèi)消散，但你想將熱量擴(kuò)散到更大的區(qū)域，”Karimajji 說。“（均熱板）可以增強(qiáng)散熱器底座的溫度均勻性。”

對于筆記本電腦和手機(jī)等缺乏散熱器空間的系統(tǒng)，熱管可以將熱量從熱源處進(jìn)一步轉(zhuǎn)移。冷凝的液體將通過毛細(xì)作用移動到蒸發(fā)器，并將蒸汽推向另一側(cè)。產(chǎn)生的熱量驅(qū)動系統(tǒng)運轉(zhuǎn)。

“比如說，在筆記本電腦里，你沒有足夠的空間（在CPU附近）加個風(fēng)扇，”卡里馬吉說。“他們會用一根熱管從CPU頂部一直延伸到筆記本電腦的邊緣，然后把風(fēng)扇放在那里。這樣做的好處是不需要泵了。”

盡管冷卻能力一般，但最大的優(yōu)勢在于熱管的尺寸。“單靠熱管本身可能不足以冷卻GPU，”Karimajji指出。這些結(jié)構(gòu)中使用的液體通常是去離子水，但根據(jù)工作溫度，也可以使用制冷劑。

加蓋或不加蓋

封裝上的蓋子為封裝內(nèi)容物提供保護(hù)和機(jī)械穩(wěn)定性。但裸露芯片背面則為不同的冷卻技術(shù)打開了大門。

“蓋子有助于散熱，從而提升整體熱性能，”Kelly 說道。“此外，在測試過程中配備保護(hù)結(jié)構(gòu)也大有裨益，因為功能性或系統(tǒng)級測試的插入在機(jī)械上非常嚴(yán)格。因此，擁有蓋子的客戶非常樂意使用。如果沒有蓋子，他們在測試過程中總是會非常注意機(jī)械完整性。”

正在開發(fā)的冷卻技術(shù)之一是水沖擊，即將水噴灑在暴露的無蓋芯片的背面。

“如果你直接把水噴到硅片頂部，就能比用某種水套來散熱多得多，”凱利說。“水不會發(fā)生相變，但硅片旁邊的水邊界層會變得非常薄，因此熱阻非常低。”

對于沒有蓋子機(jī)械支撐的芯片，放置在基板邊緣的環(huán)等加強(qiáng)筋可以幫助提供剛性并減輕溫度變化時的翹曲。

更奇特的是微流體技術(shù)，它涉及內(nèi)部微通道，冷卻劑可以通過這些微通道流動。液體并非簡單地環(huán)繞封裝，而是流經(jīng)這些通道，在內(nèi)部吸收熱量。

“微型散熱器由兩部分組成，一部分位于CPU模塊頂部，另一部分帶有一個帶風(fēng)扇的散熱器，”Karimajji說道。“它們之間有一個液體回路連接。液體流經(jīng)CPU模塊，吸收熱量，然后流向冷卻液儲存器（稱為散熱器），散熱器就位于此處。它將熱量交換回環(huán)境，然后冷液體被泵回CPU模塊。”

這對于硅片堆疊的冷卻尤其有前景。堆疊頂部的硅片很容易將熱量散失到環(huán)境中，而中間的硅片則必須以某種方式將熱量排出堆疊。微通道現(xiàn)在為中間的硅片提供了一種更有效的散熱方式。但代價是復(fù)雜性和成本。

目前，這些系統(tǒng)主要都是單相系統(tǒng)。“業(yè)界正在努力將雙相[系統(tǒng)]從研究階段推進(jìn)到商業(yè)化階段，”卡里馬吉補(bǔ)充道。

將熱量向下傳導(dǎo)至PCB

熱量向下傳導(dǎo)至PCB并最終傳導(dǎo)至系統(tǒng)其他部分的路徑更為復(fù)雜。熱量流動的自然路徑是通過芯片與基板之間的界面（即芯片貼裝層）以及從芯片向下傳導(dǎo)至PCB連接點的金屬引線。

在先進(jìn)的封裝中，并非所有引線都延伸到封裝外部。這些內(nèi)部信號會在封裝內(nèi)的組件之間傳遞熱量。而那些延伸到外部的信號可能需要穿過中介層或硅橋才能到達(dá)基板。

“我們的中介層最多可以有六層，”Karimajji 說道。“但如果這還不夠，那么從封裝頂部散熱也是一條平行路徑。”

導(dǎo)熱性更好的共晶合金可以改善芯片粘接處的熱傳遞。引線也發(fā)揮了一定作用。

Fromm 表示：“金屬密度有助于散熱。接地連接和平面對此很有幫助。但是，如果芯片的高互連區(qū)域確實產(chǎn)生了熱量，那么它就是凈熱源，而不是散熱片。”

Synopsys 產(chǎn)品管理總監(jiān) Keith Lanier 表示：“裸片的最高溫度取決于互連凸塊的密度。使用 EDA 優(yōu)化工具，你可以改變凸塊密度，從而影響裸片的最高溫度。”

新型焊料和基材

焊料的類型也很重要。金錫焊料在這方面表現(xiàn)良好。“標(biāo)準(zhǔn)焊料的功率密度約為 20 至 30 W/mK，”Fromm 說道。“金錫焊料的功率密度約為 60 W/mK，比標(biāo)準(zhǔn)焊料高出三倍。”

燒結(jié)銀也受到了一些關(guān)注，尤其是在功率器件領(lǐng)域。“有一類材料是糊狀的。它們像環(huán)氧樹脂一樣被分配，”Fromm說。“燒結(jié)后，它們的熱導(dǎo)率非常高——70到100或150 W/mK。”

據(jù)Kweon 介紹，Amkor 也在研究銅鉛鍵合技術(shù)，但銅鉛鍵合材料更具挑戰(zhàn)性，需要更精細(xì)的加工，從而增加了成本。Fromm 表示：“雖然可以做到，但表面必須非常清潔，而且必須控制表面氧化，所以必須在惰性氣體環(huán)境下進(jìn)行。” 這些挑戰(zhàn)與銅基混合芯片間鍵合的挑戰(zhàn)如出一轍。

所有這些潛在的熱路徑，無論是通過引線還是芯片貼裝，都會穿過基板，然后到達(dá)PCB。標(biāo)準(zhǔn)有機(jī)基板的導(dǎo)熱性適中，但未來可能會出現(xiàn)導(dǎo)熱系數(shù)更高的陶瓷基板。

弗羅姆說：“在我看來，最理想的狀態(tài)是高密度、高導(dǎo)熱性的陶瓷，它可以吸收熱量并提供足夠的 I/O 密度。”

這種基板比有機(jī)基板更貴，但它們也比有機(jī)基板更平整、更堅硬，從而可以提高生產(chǎn)良率。“也許組裝良率會推動基板成本更高的經(jīng)濟(jì)效益，”Fromm若有所思地說道，“如果我能以更高的良率制造它，或者獲得更高的性能，那或許就值得了。”

將熱量轉(zhuǎn)移到芯片側(cè)面

將熱量從芯片側(cè)面移出，可以增加一條散熱路徑來幫助芯片冷卻。雖然單個芯片可能太薄，因此這種散熱路徑效果不佳，但堆疊芯片可以從側(cè)面散熱路徑中受益，因為這樣可以避免微流體技術(shù)的成本和復(fù)雜性。其中一種方法是模塑倒裝芯片球柵陣列(FCBGA)。

在標(biāo)準(zhǔn)FCBGA封裝中，元件周圍有空氣。而模塑FCBGA封裝中，空氣空間則填充了導(dǎo)熱模塑化合物，使熱量能夠從堆疊芯片的側(cè)面散發(fā)出去。

Kweon 表示：“對于芯片堆疊而言，夾層芯片缺乏良好的散熱路徑，因為芯片周圍（封裝內(nèi)部）的空氣導(dǎo)熱性非常差。” 模塑材料取代了空氣，改善了側(cè)面的散熱路徑。

對于應(yīng)力更大的先進(jìn)硅節(jié)點來說，這一點可能變得更加重要。“（硅工藝）很快就會達(dá)到2納米，”Kweon補(bǔ)充道。“在這種情況下，層間電介質(zhì)非常脆。模塑FCBGA可以降低熱應(yīng)力屏障。”

圖3：模塑FCBGA封裝。模塑材料取代了封裝中的空氣，改善了側(cè)面的散熱路徑。來源：Bryon Moyer/半導(dǎo)體工程

如此多的選擇

隨著芯片和封裝產(chǎn)生的熱量越來越多，冷卻方案的數(shù)量也在不斷增加。考慮到封裝內(nèi)元件之間的相互作用，組裝方式的變化往往是漸進(jìn)式的。即使即將出現(xiàn)革命性的新系統(tǒng)，也不太可能取代我們現(xiàn)有的系統(tǒng)。因此，我們在這里看到的這些零碎部件將以不同的組合方式持續(xù)演進(jìn)。

盡早開始設(shè)計至關(guān)重要。“我們確實看到前期工作量很大，包括架構(gòu)探索，甚至在 RTL 級別，”新思科技 SoC 工程高級總監(jiān) Shawn Nikoukary 表示。“我們必須影響芯片的架構(gòu)，才能獲得最佳的熱性能。我們在架構(gòu)階段做的工作越多，最終就越容易。”

重要的是不要忽視應(yīng)用所規(guī)定的成本上限。“數(shù)據(jù)中心人員往往會有一些相當(dāng)獨特的解決方案，”凱利指出。“他們所在的市場更容易負(fù)擔(dān)得起這些方案。但如果考慮筆記本電腦、臺式機(jī)或其他邊緣設(shè)備，我們真的必須關(guān)注成本和高效散熱。”