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半導體集成度的不斷提高，意味著需要在更小的空間內完成更多的工作，這反過來又會產生更多的熱量，需要散失。先進節點芯片和多芯片組件的散熱管理對其功能和壽命至關重要。雖然提高能效是降低功耗增長速度的重點，但僅靠提高能效是不夠的。此外，還需要各種技術來幫助將熱量向上、向下和向外散發。好消息是，我們正在多個領域取得進展。

更多的工作意味著更多的熱量

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化為功。其中一些能量會以熱量的形式被浪費掉，這些熱量必須從源頭帶走并排到環境中。要使設計成功，散熱率必須與能量使用率保持平衡。除了功率之外，還需要考慮芯片內產生熱量的區域。面積越小，功率密度越大，就越需要改進冷卻策略。

“關鍵在于設法從幾平方厘米的面積中減少瓦數，”Promex首席運營官Dave Fromm說道，“單位面積的功率非常巨大?！?/span>

這也越來越成為集成電路發展的困擾。Amkor（安靠）負責Chiplet/FCBGA集成的副總裁Mike Kelly表示：“功率密度在不斷攀升。銅混合鍵合等技術加劇了這一問題，三維（3D）堆棧的功率仍在相同的x、y基底面上?！?/span>

硅芯片的最大尺寸受限于用于圖案化的網罩（26 x 33平方毫米），但封裝卻沒有這樣的上限。尺寸不能隨心所欲，但部分原因是業界還不需要大批量生產如此大的封裝。生產線還沒有為它們配備設備。不過，較大封裝的效果是進一步分散熱量，降低功率密度。

Mike Kelly表示：我們并不是要繼續把所有這些組件放到一個固定的尺寸中。尺寸在不斷增大，這使得功率密度可能保持均衡或逐漸上升。

然而，更大的封裝可能更容易變形。安靠公司Chiplet/FCBGA開發高級總監YoungDo Kweon表示：目前，60 x 60平方毫米的主體尺寸很常見。安靠還在生產85 x 85平方毫米的芯片。幾年后，我們的產品尺寸將超過100 x 100平方毫米。這意味著熱應力有可能增加。材料的熱導率是以W/Km（瓦特/開爾文米）為單位測量的。路徑距離越短，導熱系數越高，因此路徑中的任何材料越薄越好。

熱量在封裝中的移動方式

熱量主要在有源硅層產生，然后可以通過不同的路徑散發。例如，在翻轉芯片封裝中，熱量可以通過硅體傳到背面并散發出去。在某些情況下，熱量也可以通過金屬連接向下傳導到PCB上，或者在某些應用中橫向傳導。不同路徑的選擇取決于具體應用。例如，筆記本電腦可以從芯片背面和主板的另一側散發熱量，但對于數據中心和高性能計算（HPC）應用，通過主板向下傳導的熱量路徑阻力較大，因此超過95%的熱量是通過頂部散發的。

多年來，散熱器（有些帶有內置風扇）一直是高功率封裝的標準配置。它們由銅或鋁制成，金屬的選擇取決于熱量在散熱器之后的去向。

鋁吸收封裝中的熱量時，溫度變化更快。更大的溫度變化使得熱交換效率更高。Dave Fromm指出：“對于同樣大小的散熱器，改變銅的溫度比改變鋁的溫度更難。”

如果散熱器與空氣交換熱量，那么空氣必然流動?？諝獾膶嵝院懿?。如果散熱器連接到另一個導熱固體上，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，銅與空氣的交換效率較低，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到后續的散熱器中。

如果正在進行的計算工作是突發性的，并且空閑時間很長，那么銅也可以與風扇配合使用，因為它有更多時間與空氣交換。Dave Fromm表示：“如果是短脈沖，而且脈沖非常高，并且停機時間很長，那么銅在長時間內會更好地抑制這種脈沖。而鋁會瞬間變得非常熱?！?/span>

芯片局部過熱是另一個挑戰。與其裝備整個封裝以散發足夠的熱量來同時處理所有熱點，不如使用熱擴散器在封裝內平均分散熱量。傳統的金屬擴散器位于封裝內部，可以是單獨的金屬塊，也可以是與芯片有熱連接的金屬外殼。

“實現良好散熱的最佳方法是有效地在垂直方向上移除散熱片，”Mike Kelly說道。“如果移除得非常有效，熱點就沒有機會變得更熱并散發熱量?！?/span>

目前，業界正在積極開發連接擴散器和其他元件的方法，稱為熱界面材料（TIM）。它們的作用是確保兩個表面之間的共形層?！叭绻恢尾考?，你最好使用膠水，盡管人們也會使用油脂。”Dave Fromm解釋說，“關鍵是要消除氣隙。理想的TIM應該能夠保持原位，但從應力角度來看，它具有很好的保形性?！?/span>

典型的封裝可能涉及兩種TIM，有時稱為TIM I和TIM II?！胺庋b內部有兩個不同的界面，”YoungDo Kweon說道，“一個位于散熱器和導熱片之間，另一個位于芯片背面和導熱片之間。”

金屬導熱界面材料即將問世

傳統的TIM主要是聚合物，但由于聚合物導熱性能不佳，它們通常被摻雜有導電添加劑?！叭藗冋谟锰?、石墨或各種高導熱金屬摻雜它們，”Dave Fromm說道，“金剛石是另一種開始使用的填料。金剛石的導熱性可能比銅高5到10倍?！?/span>

盡管如此，TIM的導熱性仍然較差，因此保持它們的層盡可能薄有助于保持熱路徑盡可能短。它們對于散發約100W熱量的封裝來說已經足夠，但預計新型芯片和先進封裝將需要散發高達1000W的熱量，這對當前材料構成了挑戰。

金屬TIM，特別是銦合金，現在具有更高的熱導率。安靠發現，切換到銦合金可以將芯片的結溫降低超過10°C?！埃ㄊ褂镁酆衔颰IM）溫度升高10°C通常意味著芯片壽命縮短一半，”YoungDo Kweon指出，“現在許多客戶想要金屬TIM（用于功率高于400W的芯片）。

TIM隨熱量膨脹的速率與其附著材料不同，因此粘合劑可能比油脂經歷更多的熱應力。這可能是YoungDo Kweon預見在未來幾年內更大的封裝中可能出現的問題。對于YoungDo Kweon預見到的幾年后出現的更大封裝，這可能是一個問題?！斑@意味著，如果使用聚合物TIM，（它可能無法）很好地發揮作用，因為芯片邊緣周圍的拉伸應力（可能導致）分層，”他說道。

系統側組件

流動的空氣只能提供有限的冷卻效果，因此對于更具挑戰性的組件，液體的使用方式多種多樣。用液體（浸沒）包圍封裝或子系統可以比空氣更有效地散熱。

“當功耗達到800~1200W（取決于封裝結構）時，風冷系統就無法再維持了，”Mike Kelly說道，“你必須采用某種液冷技術，讓冷卻液直接接觸芯片?！?/span>

這需要一個封閉系統，液體可以在其中循環，從產生熱量的組件到可以冷卻液體的交換器，然后再循環回來。這也提高了芯片和冷卻溶液之間的溫度梯度?！斑@會導致各處的應力都更高，”Mike Kelly指出，“好消息是，IC封裝的材料比十年前好得多?！?/span>

傳統的液體冷卻僅依賴液體，但更先進的版本使用液相和氣相?！白钕冗M的冷卻方法是兩相沸騰流，”新思科技（Synopsys）高級工程師Satya Karimajji說。

浸沒式將液體冷卻提升到一個新的水平，將整個系統浸入流動的液體中，這種液體比其他技術更有效地去除熱量。然而，它既復雜又昂貴，因為系統必須密封以容納液體。研究集中在尋找最有效的液體。“他們正在研究可以使用的不同類型的介電流體和制冷劑。”Satya Karimajji說道。

當空間有限時

在空間有限的情況下，液體/氣體也在兩種不同的方法中發揮作用。均熱板雖然不是新事物，但隨著時間的推移越來越受歡迎，作為一種擴散熱量的手段?！叭缃?，許多客戶都在轉向均熱板，并在封裝頂部放置冷板?！盰oungDo Kweon說。

均熱板不是金屬塊，而是一個密封的腔室，內部含有蒸汽，一側接觸芯片，另一側接觸冷卻板。這些是兩相系統，熱源作為蒸發器，冷卻側作為冷凝器。它們通常內部有一些吸濕材料，有助于將冷凝液體帶回蒸發器。

Satya Karimajji表示，比如說，熱量在一個小區域內散發，但你想把熱量擴散到一個更大的區域。均熱板提高了散熱器底座的溫度均勻性。

在筆記本電腦和手機等缺乏散熱片空間的系統中，熱管可以將熱量從源頭轉移到更遠的地方。凝結的液體會通過毛細管作用移動到蒸發器，推動另一側的蒸汽。產生的熱量驅動系統。

Satya Karimajji說：例如，在筆記本電腦中，你沒有足夠的空間在CPU附近安裝風扇。他們將熱管從CPU的頂部延伸到筆記本電腦的邊緣，這樣就可以在那安裝風扇。這樣做的好處是不需要泵。盡管散熱能力適中，但熱管的尺寸是最大的優勢。它們本身可能不足以冷卻GPU?！皢慰繜峁鼙旧砜赡懿蛔阋岳鋮sGPU，”Satya Karimajji指出。這些結構中使用的液體通常是去離子水，但根據工作溫度，制冷劑也可以起到一定的作用。

加蓋——或不加蓋

封裝上的蓋子為封裝內容物提供了保護和機械穩定性。但裸露芯片背面則為不同的冷卻技術打開了大門。

“蓋子有助于散熱，從而有助于提高整體熱性能，”Mike Kelly說道?！岸遥跍y試過程中使用保護結構也有很大的好處，因為這些功能性或系統級測試的插入在機械性能上非常嚴格。因此，我們的客戶會非常樂意使用蓋子。如果沒有蓋子，他們在測試過程中總是會非常注意機械完整性?！?/span>

正在開發的冷卻技術之一是水沖擊冷卻，即將水直接噴灑在裸露的無蓋芯片背面。

“如果直接將水噴灑在硅片頂部，可以比將水置于某種水套中去除更多的熱量，”Mike Kelly說道?！八粫l生相變，但靠近硅片的水的邊界層會變得非常薄，因此熱阻非常低?！?/span>

對于沒有蓋子機械支撐的芯片，在基板邊緣放置的加強環等加強件可以幫助提供剛性，并減輕溫度變化帶來的翹曲。

更奇特的是微流體技術，它涉及冷卻劑可以流動的內部微通道。液體不是簡單地圍繞封裝，而是流經通道，在內部吸收熱量。

Satya Karimajji表示：微通道散熱器有兩部分，一部分位于CPU塊的頂部，另一部分是帶有風扇的散熱器。連接它們的是一個液體回路。液體流經CPU模塊，吸收熱量，然后進入散熱器所在的冷卻劑儲存器（稱為散熱器）。它將熱量交換回環境中，然后將冷液體泵回CPU模塊。

這對于硅片堆棧的冷卻尤其有前景，因為堆棧頂部的硅片很容易將熱量散失到環境中，而中間的硅片必須以某種方式將熱量通過堆棧傳遞出去?，F在，微通道為中間的硅片提供了一種更有效的散熱方式。但代價是復雜性和費用。

這些系統目前主要是單相系統。Satya Karimajji補充道，業界正在努力使兩相系統從研究階段進入商業化階段。

將熱量向下傳導至PCB

熱量向下輸送到PCB并流向系統其他部分的路徑更為復雜。熱量流動的自然路徑是通過芯片和基板之間的界面（即芯片粘接層），以及從芯片向下延伸到PCB連接處的金屬引線。

在高級封裝中，并非所有引線都會最終到達封裝外部。這些內部信號會在封裝內的組件之間傳遞熱量。那些傳到外部的信號在到達基板之前，可能需要經過中介層或硅橋。

Satya Karimajji表示：我們的中介層可以多達六層。但如果這還不夠，那么從封裝的頂面引出熱量也是另一條平行路徑。

導熱性更強的共晶合金可以改善通過芯片粘接層的熱傳導。引線也發揮了一定的作用。

Dave Fromm表示：金屬密度有助于熱量散發。接地連接和平面對此很有幫助。但是，如果芯片的高連接區域實際上正在產生熱量，那么它就是一個凈熱源，而不是散熱器。

新思科技產品管理總監Keith Lanier說：芯片的最高溫度取決于互連凸塊的密度。利用電子設計自動化（EDA）優化工具，你可以改變凸點密度，從而影響芯片的最高溫度。

新型焊料和基板

焊料的類型也很重要。金錫焊料在這方面表現出色。Dave Fromm表示，標準焊料的導熱系數大約為20到30W/mK，金錫焊料的導熱系數大約為60W/mK，比標準焊料高出三倍。

燒結銀也受到了一些關注，尤其是在功率器件方面。“有一類材料是膏狀的。它們像環氧樹脂一樣被分配，”Dave Fromm說道?！盁Y后，它們的熱導率非常高——70到~100或150W/mK?！?/span>

據YoungDo Kweon稱，安靠也在研究銅鉛鍵合技術，但這種材料更具挑戰性，需要更精細的加工，從而增加了成本?！半m然可以做到，但表面必須非常干凈，并且必須控制表面氧化，所以必須在惰性氣體環境中進行。”Dave Fromm說道，這些挑戰與銅基混合芯片鍵合的挑戰如出一轍。

所有這些潛在的熱路徑都會穿過基板，然后到達PCB，無論是通過引線還是芯片鍵合。標準有機基板的導熱性適中，但未來可能會出現導熱系數更高的陶瓷基板。

“在我看來，理想的解決方案是一種高密度、高導熱系數的陶瓷，它既能吸收熱量，又能提供足夠的I/O密度?！盌ave Fromm說道。

這種基板比有機基板更貴，但它們也更平整、更堅硬，從而可以提高產量?！盎蛟S組裝良率會推動基板成本更高的經濟效益?！盌ave Fromm沉思道。“如果能以更高的收益或更高的性能構建它，那或許就值得了?！?/span>

將熱量轉移到側面

將熱量從芯片側面引出，可以增加一條散熱路徑，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，但堆疊芯片可以從一條無需考慮微流控成本和復雜性的側向散熱路徑中受益。一種方法是模塑倒裝芯片球柵陣列（FCBGA）。

在標準FCBGA中，元件周圍有空氣。在模塑FCBGA中，該空間填充了導熱模塑材料，使熱量可以從堆疊芯片的側面散發出去。

“對于芯片堆疊，夾層芯片沒有良好的散熱路徑，因為芯片周圍（封裝內部）的空氣導熱性很差，”YoungDo Kweon說道。模塑材料取代了空氣，改善了側向散熱路徑。

對于應力更大的先進硅節點來說，這可能變得更加重要?！肮韫に嚭芸炀蜁l展到2nm，”YoungDo Kweon補充道，“在這種情況下，層間電介質非常易碎。模塑FCBGA可以降低熱應力屏障。

如此豐富的選擇

隨著芯片和封裝產生的熱量越來越多，冷卻方案的數量也在不斷增加?？紤]到封裝內元件之間的相互作用，組裝變更往往會逐步發生。即使即將出現革命性的新系統，也不太可能取代我們現有的系統。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發展。

盡早開始設計至關重要?！拔覀兇_實看到了更多的前期工作，包括架構探索，甚至在RTL級別，”新思科技SoC工程高級總監Shawn Nikoukary表示?！拔覀儽仨氂绊懶酒募軜嫴拍塬@得最佳的熱性能。我們在架構階段做的工作越多，最終實現就越容易。”

重要的是不要忽視應用所規定的成本上限。“數據中心人員往往會有一些非常獨特的解決方案，”Mike Kelly指出，“他們所在的市場更容易負擔得起這些方案。但如果考慮筆記本電腦、臺式機或其他邊緣設備，我們真的必須關注成本和高效散熱?！?/span>

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