用于熱管理的散熱銅柱凸點

admin 2011-08-26

用于熱管理的散熱銅柱凸點

本文介紹了一種新型的電熱管理方法，采用散熱銅柱凸點為電子系統(tǒng)內(nèi)部提供所需的冷卻能力。當(dāng)接近熱源時，任何設(shè)備的主動冷卻都是最有效的。今天一切先進(jìn)的中央處理單元（CPU）和圖形處理器（GPU）都采用倒裝芯片的封裝形式，其焊料凸點直接放在芯片中較活躍的區(qū)域。一種新的方法已經(jīng)可以將熱活性物質(zhì)集成在這些焊料凸點中，尤其是銅柱凸點。當(dāng)熱電材料放在封裝中，性能系數(shù)（COP），或者說散去的功率與可散功率之比一般為1左右；但若該材料被放置在凸點中，則性能系數(shù)可達(dá)4、6或8。這為電子行業(yè)中非常令人困擾的熱問題提供了十分具有吸引力的解決方案。能量/熱/效率之間的折衷對于過去能量發(fā)展趨勢的研究表明，20 GHz的芯片會消耗和產(chǎn)生1 kw的能量。在筆記本電腦、臺式電腦，甚至服務(wù)器環(huán)境中管理這種量級的能量是根本不可能的。更重要的是，隨著芯片功率的增加，整個芯片的功率非均勻性也在增加。在芯片表面上分布的能量看起來像一個山脈，山峰代表芯片上最高功率密度和最高溫度水平。在一個低功耗芯片（35 W英特爾雙核）中，這種分布看起來像柔和綿延的山丘。
而在高功率芯片（大于120 W）中，它可能類似于喜馬拉雅山那樣的陡峭。不幸的是，這些溫度比芯片上其他區(qū)域高的“山峰”卻代表了一個潛在的故障點。如果電路不能在峰值功率點得以工作的話，整個芯片都將無法正常工作。能量的非均勻分布遍及整個系統(tǒng)的各個層面。如果不能有效的解決這些問題，將會降低所有的系統(tǒng)級效率。在一個典型的電路板上，一些芯片的功率高于平均值，有些則低于平均值。因此，整個電路板就呈現(xiàn)出熱的二級分布。再次，由于電路密度增加，整體功率水平上升，環(huán)境狀況變得更加的嚴(yán)峻，而這些非均勻分布變得更具挑戰(zhàn)性，直接影響了電腦的正常使用。隨著電子產(chǎn)品中功率及熱量的非均勻分布程度不斷增加，熱管理方案尚未跟緊腳步，以有效地處理這些問題。鼓風(fēng)機和風(fēng)扇，可以用來冷卻計算機系統(tǒng)，但如果熱剖面是非均勻的，他們可能過冷或是超過某些器件的默認(rèn)指標(biāo)。當(dāng)芯片運行過熱時，過冷會導(dǎo)致芯片的早期故障及內(nèi)部失效。比如說，應(yīng)用在服務(wù)器主板上功率MOSFET的冷卻水平不適于中央處理器。結(jié)果就是它們運行得過熱，在電路板上產(chǎn)生了過多的熱量并且運行低效。另一種選擇，就是過度冷卻，這對于電子產(chǎn)品來說總體上是好的，但會導(dǎo)致非常低的系統(tǒng)效率和不可接受的能源消耗。對于此類問題，熱管理行業(yè)以熱管（引導(dǎo)熱量遠(yuǎn)離高功率區(qū)域，如在CPU與GPU之間）

和風(fēng)扇或散熱片形式的解決方案，可給最高功率的設(shè)備提供局部散熱管理。盡管這些解決方案可用于解決單個芯片上的平均熱功率問題，但是它們不能處理芯片內(nèi)部的熱不均勻性。即使這些解決方案是有效的，但也無法適用于以下兩種情況。第一，無法擴展到整個芯片組；第二，不可能縮小到最新芯片要求的水平（實現(xiàn)僅僅5℃的額外冷卻，對一個典型的芯片需要增加2-4倍的散熱面積）。
新方法我們?yōu)樾枰獌?nèi)部冷卻的電子系統(tǒng)開發(fā)了一種新方法，可以為電子系統(tǒng)內(nèi)部的散熱提供適當(dāng)?shù)睦鋮s。這種做法不會取代系統(tǒng)級冷卻，而且對于排除熱量來說仍然需要系統(tǒng)級冷卻；相反，它從根本上引入了一種新方法，實現(xiàn)芯片和電路板級的熱均勻分布。以這種方式，系統(tǒng)級散熱管理將變得更加高效。由于這些解決方案可以實現(xiàn)等比例的縮小（大的系統(tǒng)有更大的扇出），這種新方法也適用于芯片級應(yīng)用。新的方法是將薄膜熱電材料集成到倒裝芯片的焊料凸點中。這樣可以直接在芯片表面完成主動散熱管理或發(fā)電，并采用行業(yè)可接受的制造方法可確保無縫集成。與傳統(tǒng)的提供電氣通路及機械結(jié)構(gòu)的焊料凸點不同，“散熱焊點”可作為一個微型的固體熱泵。對于每個凸點，當(dāng)有電流通過時會發(fā)生熱電冷卻（TEC）。換句話說，當(dāng)有電流通過材料時，熱凸點在一側(cè)冷卻，并將熱量轉(zhuǎn)移到另一側(cè)，這是眾所周知的珀耳帖效應(yīng)（Peltier effect）。
另一方面，當(dāng)散熱凸點受到溫度梯度的影響時（例如，頂部比底部熱），就會產(chǎn)生熱電發(fā)電（TEG）。在這種情況下，該裝置可產(chǎn)生電流，將熱能轉(zhuǎn)換成電能。這就是塞貝克效應(yīng)（Seebeck effect）。熱設(shè)計 http://m.aji87.cn
散熱凸點可集成在標(biāo)準(zhǔn)的倒裝芯片工藝中（圖1）。由于可將這一功能集成在設(shè)計與制造設(shè)備中，未來的芯片可能將電凸點（用于功率、地線和信號）和散熱凸點（用于冷卻、溫度控制和潛在發(fā)電）結(jié)合起來使用。以這種方式，散熱凸點可為電子產(chǎn)品設(shè)計提供了新的功能。今天，我們將晶體管、電阻、電容集成到傳統(tǒng)的電路中，而在將來，有可能以相同的方式將散熱管理集成到電路內(nèi)部。

銅柱焊料凸點隨著高密度互連的發(fā)展，開發(fā)出了銅柱焊料凸點（CPB）。由于以下幾個優(yōu)勢，CPB成為傳統(tǒng)焊料凸點頗具吸引力的替代品。首先，CPB的線寬不由體積較大的焊料決定，而是取決于電鍍銅支柱的尺寸。這比已知所有傳統(tǒng)焊料凸點的間距都小。第二，因為大部分的互連使用的是銅材料，需要制造一個凸點所需的焊料用量大為降低。在鉛基焊料中，可降低鉛含量，這對于環(huán)境問題十分重要（RoHS協(xié)議）。第三，銅比一般二元或三元焊料的熱傳導(dǎo)率要高。例如，共晶SnPb（63％錫，37％的鉛）的導(dǎo)熱系數(shù)約為40 W/mK，而銅是386 W/mK。這意味著相同的幾何形狀下，與傳統(tǒng)的焊料凸點相比，CPB的導(dǎo)熱能力可以提高近十倍。第四，由于銅支柱在回流焊的時候不改變形狀，它們不容易出現(xiàn)體積再分配，而體積再分配會導(dǎo)致凸點中的孔洞（缺陷），增加寄生電阻并降低可靠性。
薄膜熱電技術(shù)
有證據(jù)表明，薄膜熱電技術(shù)可以提供遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)體顆粒熱電產(chǎn)品的高散熱能力。對于熱電制造來說，薄膜相對于較厚體材料的優(yōu)勢可用下式表達(dá)：
其中，Qmax（模型的最高散熱值）與薄膜厚度L成反比。因此對于給定的活性區(qū)，使用薄膜制造的熱電冷卻器很容易得到10-40倍高的Qmax值。這使得薄膜TEC用于高熱流應(yīng)用成為可能。除了增加散熱能力之外，使用薄膜可實現(xiàn)真正的新型熱電裝置。與厚度在1-3 mm的體散熱模塊相比，薄膜TEC可獲得低于100μm的厚度。最簡單的形式是將一個P或N型的
熱電偶（所有熱電裝置的基本組成元件）置于一層薄膜熱電材料與焊層之上，這樣在其底層就可以將電和熱耦合到電氣通路上。
散熱銅柱凸點
散熱銅柱凸點（TCPB，圖2）與現(xiàn)有的倒裝芯片制造設(shè)備相兼容，這種技術(shù)擴展了常規(guī)焊料凸點互連技術(shù)，利用已被廣泛接受的CPB工藝可為倒裝芯片元件提供主動集成冷卻。通過這種技術(shù)的改進(jìn)，CPB內(nèi)的發(fā)電可以進(jìn)行能源循環(huán)應(yīng)用。這項技術(shù)在根本上解決芯片上散熱與功率的難題。做個比喻，就像是將一所擁有過熱爐
灶的房子進(jìn)行冷卻。比起空氣將整個屋子的溫度維持在熱爐的溫度上，它會更加有效地直接地對過熱因素廚房進(jìn)行降溫。TCPB技術(shù)正是將這一方法引入到電子電路中。其結(jié)果是在現(xiàn)有半導(dǎo)體生產(chǎn)流程下，并不采用更高的系統(tǒng)級冷卻，卻可獲得更高的性能及效率。該技術(shù)已經(jīng)獲得了數(shù)項世界第一：當(dāng)電流通過時，60μm高的TCPB可以獲得60℃的溫差；TCPB表現(xiàn)出的最大散熱能力超過150 W/cm2；受熱時，已證明每個TCPB具有產(chǎn)生高至10 mW功率的能力。

散熱銅柱凸點的結(jié)構(gòu) 在圖中，熱電腿的掃描電鏡截面圖清楚地表明，熱電元件等同于一個有附加層的結(jié)構(gòu)，類似一個堆棧結(jié)構(gòu)。附加的熱電層將一個標(biāo)準(zhǔn)的CPB轉(zhuǎn)換成一個主動式的TCPB。當(dāng)恰當(dāng)?shù)脑O(shè)置電及熱性能后，這種元件可將主動的熱電熱量從凸點的一邊轉(zhuǎn)移到另一邊。熱量轉(zhuǎn)移的方向是由熱電材料的摻雜類型（不論是n型或p型半導(dǎo)體）和通過的電流決定的（珀耳帖效應(yīng)）。反過來說，若允許熱量從熱電材料的一邊轉(zhuǎn)移到另一邊，就會在這種材料中產(chǎn)生電流（塞貝克效應(yīng)）。在這種模式中，電能是從熱電材料中的熱流產(chǎn)生的。如圖2所示，這種結(jié)構(gòu)可以在珀耳帖效應(yīng)和塞貝克效應(yīng)兩種模式下運行，當(dāng)然這兩種模式不是同時進(jìn)行的。
圖3為典型CPB和薄膜TCPB的比較示意圖。這些結(jié)構(gòu)很相似，都具有CPB和焊料的連接。其主要區(qū)分在于兩個焊料層之間是否要引入一個p或n型熱電層。CPB和TCPB的粘合劑可以選擇任意一種常用的軟焊料，包括，但不僅限于，SnPb共晶焊料，或是SnAg或AuSn。
圖4為TCPB的放大圖。顯示出這種設(shè)計另外幾個特點。首先，器件中的熱流由箭頭“熱流”標(biāo)出。芯片上金屬線的設(shè)計有助于熱流通過TCPB。這些金屬線相互交錯堆疊而成，只有幾微米厚，可提供高導(dǎo)熱的通路，從下方電路中吸取熱量，將其釋放到TCPB中。如圖4所示，用于引導(dǎo)電流進(jìn)入TCPB的金屬線可能會，也可能不會直接連接到芯片的電路上。在任一情況下，板上溫度傳感器和驅(qū)動電路都可用于控制TCPB，使其在閉環(huán)系統(tǒng)表現(xiàn)出最佳的性能。第二，由TCPB所帶走的熱量，及其傳熱過程中產(chǎn)生的附加熱，可能在基板或電路板內(nèi)被阻塞。因為提供良好的散熱路徑可以改善TCPB的功能，所以背面有高導(dǎo)熱通路的TCPB有利于熱量的傳輸。基板可以是一種高傳導(dǎo)介質(zhì)，如氮化鋁或金屬（如銅，鎢化銅，鉬化銅等）。在這種情況下，較高熱導(dǎo)率的基板將為阻塞的熱量提供一個自然的疏通途徑。它也可能是一個可以提供高密度互連的多層基板，如印刷電路板（PCB）。在這種情況下，PCB上的導(dǎo)熱系數(shù)可能比較差，但加入散熱通路（如金屬插栓）可以為阻塞的熱量提供很好的途徑。

因為TCPB與傳統(tǒng)的CPB在結(jié)構(gòu)上很相似，因此TCPB結(jié)構(gòu)的制造可以輕易地集成到現(xiàn)有基于CPB的工藝中。 TCPB可用許多不同的方式提供芯片制冷，其中包括：
一般冷卻——TCPB可均勻分布在整個芯片表面，可提供均勻的冷卻效果。這種情況下，TCPB可與標(biāo)準(zhǔn)的CPB混排在一起，用于信號、電源和地線的冷卻。為了將效果
最大化，TCPB被直接放在芯片有源電路的下方。TCPB的數(shù)量和密度是由芯片的熱負(fù)荷決定的。每對P/N對在特定的溫度差（T）和給定的電流下，能提供一個特定的散熱轉(zhuǎn)換能力（Q）。芯片上溫度傳感器（片載傳感器）可直接測量TCPB的性能，并為TEC驅(qū)動電路提供反饋。
高精度溫度控制——TCPB既能冷卻芯片也可加熱芯片，這取決于當(dāng)前電流的方向。可以用來精確控制那些必須在特定溫度范圍內(nèi)工作芯片的運轉(zhuǎn)溫度。舉例來說，對于許多光電元件，這是一個常見的問題。熱點冷卻——在微處理器、圖形芯片和其他高端芯片中，整個芯片的功率密度差別很大時會產(chǎn)生熱點。這些熱點嚴(yán)重限制了器件的性能。由于TCPB的尺寸小并且相對密度高，所以它們可以被放在有源芯片表面，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計非常適合用于熱點的冷卻。在這種情況下，TCPB的分布并不必那么的平均。更合適的設(shè)計是將TCPB集中在熱點區(qū)域，而低功率密度的區(qū)域每單位面積則僅需較少的TCPB。這樣，TCPB只是在需要的區(qū)域被大量應(yīng)用，減少了促使系統(tǒng)冷卻及降低系統(tǒng)過度熱量所需的額外能源。除了芯片冷卻，TCPB可以用于高熱流互連，以提供恒定的的能量供給。這種能源的功率
通常是在毫瓦范圍內(nèi)，是理想的涓流充電電池、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和其他電池操作系統(tǒng)的能源供給手段。