本文由半導體產業縱橫（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生的熱量。

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

管理先進節點芯片和多芯片組件的散熱對其功能和壽命至關重要。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，但僅靠這一點還遠遠不夠。

還需要各種技術來幫助熱量向上、向下和向外移動。好消息是，我們在多個領域正在取得進展。

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境中。成功的設計必須平衡耗散率和能耗率。但除了功率之外，還需要考慮芯片內部熱量來源的面積。面積越小，功率密度就越高，對改進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：“關鍵在于設法從幾平方厘米的面積中去除瓦特數的電力。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，”安靠公司負責芯片/FCBGA集成的副總裁Mike Kelly說道。“銅混合鍵合等技術加劇了這一問題，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，部分原因是業界尚未大規模生產如此大的封裝。生產線目前尚未配備相應的設備。然而，更大的封裝會進一步散熱，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，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 開發高級總監 YoungDo Kweon 表示。“安靠公司也正在生產 85 x 85 平方毫米的封裝尺寸。幾年后，我們將生產出超過 100 x 100 平方毫米的封裝尺寸。這意味著熱應力可能會增加。”

材料的熱導率以W/Km為單位。路徑距離越短，熱導率越高，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，熱量甚至可能向側面移動。具體移動方向取決于具體應用。

“如果你觀察一下筆記本電腦之類的產品，就會發現它們的熱量來自芯片背面和主板的另一面，”凱利說道。“但對于數據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出去的。”

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，金屬材質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。空氣的導熱性很差。如果散熱器與另一個導熱固體連接，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到后續的散熱器中。

如果正在進行的計算工作具有突發性，且空閑時間較長，那么銅線也可以搭配風扇使用，因為它有更多時間與空氣進行交換。“如果是短脈沖，且脈沖強度很高，且停機時間較長，那么銅線能夠更好地隨著時間的推移進行衰減，”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。與其讓整個封裝同時散發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的熱量。傳統的金屬散熱器位于封裝內部。它可以是一塊獨立的金屬塊，也可以是一個與芯片導熱連接的金屬外殼。

“實現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，熱點就沒有機會變得更熱，從而將熱量散發出去。”

連接散熱片和其他元件的方法是一個正在積極開發的領域。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。“關鍵在于消除氣隙。理想的 TIM 材料能夠保持原位，但從應力角度來看，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（羅馬數字1）和TIM II。“封裝內部有兩個不同的接口，”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。”

圖1：熱界面材料的兩種典型應用。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

傳統的TIM主要由聚合物制成。但由于聚合物導熱性不佳，它們通常會摻雜導電添加劑。“人們正在用碳、石墨或各種高導熱金屬來摻雜它們，”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 的導熱性往往較差，因此保持其層數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 的封裝來說已經足夠好，但預計新型芯片和先進封裝的散熱功率將超過 1,000 W，這將對現有材料構成挑戰。

如今，金屬TIM（尤其是銦合金）的熱導率大幅提升。Amkor公司發現，改用銦合金可以將芯片結溫降低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力。對于Kweon預見到的幾年后出現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力可能導致分層，”他說。

系統側組件

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）包裹封裝或子系統比用空氣更有效地散熱。

“到了一定程度，當功耗達到 800 到 1200 瓦時，根據封裝結構的不同，風冷系統就無法再維持了，”Kelly 說，“你必須采用某種液冷技術，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，液體可以在其中從發熱組件循環到交換器，該交換器可以冷卻液體，然后再返回到封閉的循環中。這還會提高芯片和冷卻液之間的溫度梯度。“這會導致各處的應力都更高，”凱利指出。“好消息是，現在的IC封裝材料比10年前好多了。”

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

浸沒式冷卻技術將液體冷卻技術更進一步，將整個系統浸入流動的液體中，其散熱效率遠高于其他技術。然而，這種方法復雜且成本高昂，因為系統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，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，腔體內的蒸汽一側與芯片接觸，另一側則設有冷卻板。均熱板屬于兩相系統，熱源側充當蒸發器，冷源側充當冷凝器。均熱板內部通常含有某種芯吸材料，有助于將冷凝液帶回蒸發器。

“假設熱量在一個很小的區域內消散，但你想將熱量擴散到更大的區域，”Karimajji 說。“（均熱板）可以增強散熱器底座的溫度均勻性。”

對于筆記本電腦和手機等缺乏散熱器空間的系統，熱管可以將熱量從熱源處進一步轉移。冷凝的液體將通過毛細作用移動到蒸發器，并將蒸汽推向另一側。產生的熱量驅動系統運轉。

“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。這些結構中使用的液體通常是去離子水，但根據工作溫度，也可以使用制冷劑。

加蓋或不加蓋

封裝上的蓋子為封裝內容物提供保護和機械穩定性。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，從而提升整體熱性能，”Kelly 說道。“此外，在測試過程中配備保護結構也大有裨益，因為功能性或系統級測試的插入在機械上非常嚴格。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械完整性。”

正在開發的冷卻技術之一是水沖擊，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。”

對于沒有蓋子機械支撐的芯片，放置在基板邊緣的環等加強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，它涉及內部微通道，冷卻劑可以通過這些微通道流動。液體并非簡單地環繞封裝，而是流經這些通道，在內部吸收熱量。

“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。但代價是復雜性和成本。

目前，這些系統主要都是單相系統。“業界正在努力將雙相[系統]從研究階段推進到商業化階段，”卡里馬吉補充道。

將熱量向下傳導至PCB

熱量向下傳導至PCB并最終傳導至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與基板之間的界面（即芯片貼裝層）以及從芯片向下傳導至PCB連接點的金屬引線。

在先進的封裝中，并非所有引線都延伸到封裝外部。這些內部信號會在封裝內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域確實產生了熱量，那么它就是凈熱源，而不是散熱片。”

Synopsys 產品管理總監 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良好。“標準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，尤其是在功率器件領域。“有一類材料是糊狀的。它們像環氧樹脂一樣被分配，”Fromm說。“燒結后，它們的熱導率非常高——70到100或150 W/mK。”

據Kweon 介紹，Amkor 也在研究銅鉛鍵合技術，但銅鉛鍵合材料更具挑戰性，需要更精細的加工，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境下進行。” 這些挑戰與銅基混合芯片間鍵合的挑戰如出一轍。

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PCB。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。

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

這種基板比有機基板更貴，但它們也比有機基板更平整、更堅硬，從而可以提高生產良率。“也許組裝良率會推動基板成本更高的經濟效益，”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。”

將熱量轉移到芯片側面

將熱量從芯片側面移出，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面散熱路徑中受益，因為這樣可以避免微流體技術的成本和復雜性。其中一種方法是模塑倒裝芯片球柵陣列(FCBGA)。

在標準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熱模塑化合物，使熱量能夠從堆疊芯片的側面散發出去。

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（封裝內部）的空氣導熱性非常差。” 模塑材料取代了空氣，改善了側面的散熱路徑。

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

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

如此多的選擇

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。考慮到封裝內元件之間的相互作用，組裝方式的變化往往是漸進式的。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演進。

盡早開始設計至關重要。“我們確實看到前期工作量很大，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。“我們必須影響芯片的架構，才能獲得最佳的熱性能。我們在架構階段做的工作越多，最終就越容易。”

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相當獨特的解決方案，”凱利指出。“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。”

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