芯片散熱，難難難

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

管理先進(jìn)節點(diǎn)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(cháng)率，但僅靠這一點(diǎn)還遠遠不夠。

還需要各種技術(shù)來(lái)幫助熱量向上、向下和向外移動(dòng)。好消息是，我們在多個(gè)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(lái)自電源引腳，但并非所有能量都能轉化為功。部分能量會(huì )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(lái)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(yíng)官戴夫·弗羅姆 (Dave Fromm) 表示：「關(guān)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?！?/p>

這也變得越來(lái)越成問(wèn)題?！腹β拭芏日谂噬?，」安靠公司負責芯片/FCBGA 集成的副總裁 Mike Kelly 說(shuō)道?！搞~混合鍵合等技術(shù)加劇了這一問(wèn)題，因為 3D 堆疊的功率仍然集中在相同的 x、y 方向上?！?/p>

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(méi)有這樣的上限。尺寸并非隨意，部分原因是業(yè)界尚未大規模生產(chǎn)如此大的封裝。生產(chǎn)線(xiàn)目前尚未配備相應的設備。然而，更大的封裝會(huì )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(gè)固定的尺寸里，」凱利觀(guān)察到?！赋叽缭诓粩嘣龃?，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(xiàn)限制?！?/p>

然而，更大的封裝尺寸可能更容易翹曲?！改壳?，60 x 60 平方毫米的封裝尺寸很常見(jiàn)，」安靠公司 chiplet/FCBGA 開(kāi)發(fā)高級總監 YoungDo Kweon 表示?！赴部抗疽舱谏a(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(guò) 100 x 100 平方毫米的封裝尺寸。這意味著(zhù)熱應力可能會(huì )增加?！?/p>

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(chǎn)生。熱量從那里向上移動(dòng)，在倒裝芯片封裝中，這意味著(zhù)熱量會(huì )穿過(guò)體硅層到達封裝背面，最終流出封裝。熱量還可以通過(guò) PCB 上各種金屬連接向下移動(dòng)，在某些情況下，熱量甚至可能向側面移動(dòng)。具體移動(dòng)方向取決于具體應用。

「如果你觀(guān)察一下筆記本電腦之類(lèi)的產(chǎn)品，就會(huì )發(fā)現它們的熱量來(lái)自芯片背面和主板的另一面，」凱利說(shuō)道?！傅珜τ跀祿行暮透咝阅苡嬎銇?lái)說(shuō)，穿過(guò)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?！?/p>

多年來(lái)，散熱器（有些帶有內置風(fēng)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(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(huì )吸收封裝中的熱量。更大的溫度變化使熱交換效率更高?！笇τ谙嗤叽绲纳崞?，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(dòng)?？諝獾膶嵝院懿?。如果散熱器與另一個(gè)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(zhù)它可以?xún)Υ娓嗟臒崃?，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(gè)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(jìn)行的計算工作具有突發(fā)性，且空閑時(shí)間較長(cháng)，那么銅線(xiàn)也可以搭配風(fēng)扇使用，因為它有更多時(shí)間與空氣進(jìn)行交換?！溉绻嵌堂}沖，且脈沖強度很高，且停機時(shí)間較長(cháng)，那么銅線(xiàn)能夠更好地隨著(zhù)時(shí)間的推移進(jìn)行衰減，」Fromm 說(shuō)?！镐X線(xiàn)會(huì )瞬間變得非常熱?！?/p>

熱點(diǎn)芯片

熱點(diǎn)帶來(lái)了另一個(gè)挑戰。與其讓整個(gè)封裝同時(shí)散發(fā)足夠的熱量來(lái)處理所有熱點(diǎn)，不如使用散熱器來(lái)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(gè)與芯片導熱連接的金屬外殼。

「實(shí)現良好散熱的最佳方法是有效地沿垂直方向散熱，」凱利說(shuō)道?！溉绻隳芊浅Ｓ行У厣?，熱點(diǎn)就沒(méi)有機會(huì )變得更熱，從而將熱量散發(fā)出去?！?/p>

連接散熱片和其他元件的方法是一個(gè)正在積極開(kāi)發(fā)的領(lǐng)域。它們被稱(chēng)為熱界面材料 (TIM)，其作用是確保兩個(gè)表面之間形成一個(gè)保形層?！缸詈檬褂媚z水，但如果它不支撐部件，人們也會(huì )使用油脂，」Fromm 解釋說(shuō)?！戈P(guān)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(lái)看，它具有很好的保形性?！?/p>

典型的封裝可能包含兩個(gè) TIM，有時(shí)稱(chēng)為 TIM I（羅馬數字 1）和 TIM II?！阜庋b內部有兩個(gè)不同的接口，」Kweon 說(shuō)道?！敢粋€(gè)位于 [散熱器] 和 [導熱片] 之間。另一個(gè)位于芯片背面 [和導熱片] 之間?！?/p>

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(lái)源：Amkor

金屬 TIM 即將問(wèn)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(huì )摻雜導電添加劑?！溉藗冋谟锰?、石墨或各種高導熱金屬來(lái)?yè)诫s它們，」Fromm 說(shuō)道?！附饎偸橇硪环N人們開(kāi)始使用的填料。金剛石的熱活性可能比銅高 5 到 10 倍?！?/p>

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(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠好，但預計新型芯片和先進(jìn)封裝的散熱功率將超過(guò) 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(fā)現，改用銦合金可以將芯片結溫降低 10°C 以上?！福ㄊ褂镁酆衔?TIM）溫度升高 10°C 通常意味著(zhù)芯片壽命縮短一半，」Kweon 指出?！脯F在很多客戶(hù)都希望（用于功率高于 400W 的芯片）采用金屬 TIM?！?/p>

圖 2：采用金屬 TIM 的模壓 FCBGA。來(lái)源：Amkor

TIM 受熱膨脹的速度與其附著(zhù)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(jiàn)到的幾年后出現的更大尺寸封裝來(lái)說(shuō)，這可能是一個(gè)問(wèn)題?！高@意味著(zhù)，如果你使用聚合物 TIM，它可能無(wú)法很好地工作，因為芯片邊緣周?chē)睦鞈赡軐е路謱?，」他說(shuō)。

系統側組件

流動(dòng)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(méi)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(shí)，根據封裝結構的不同，風(fēng)冷系統就無(wú)法再維持了，」Kelly 說(shuō)，「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?！?/p>

這需要一個(gè)封閉的系統，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(huì )提高芯片和冷卻液之間的溫度梯度?！高@會(huì )導致各處的應力都更高，」凱利指出?！负孟⑹?，現在的 IC 封裝材料比 10 年前好多了?！?/p>

傳統的液冷技術(shù)完全依賴(lài)于液體，但更先進(jìn)的技術(shù)則結合了液相和氣相?！缸钕冗M(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(méi)式冷卻技術(shù)將液體冷卻技術(shù)更進(jìn)一步，將整個(gè)系統浸入流動(dòng)的液體中，其散熱效率遠高于其他技術(shù)。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(diǎn)是尋找最有效的液體?！杆麄冋谘芯靠梢允褂玫牟煌?lèi)型的介電流體和制冷劑，」卡里馬吉說(shuō)。

當空間有限時(shí)

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(lái)越流行?！溉缃?，許多客戶(hù)正在轉向在封裝頂部加裝冷卻板的均熱板，」Kweon 說(shuō)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(fā)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(fā)器。

「假設熱量在一個(gè)很小的區域內消散，但你想將熱量擴散到更大的區域，」Karimajji 說(shuō)?！福ň鶡岚澹┛梢栽鰪娚崞鞯鬃臏囟染鶆蛐??！?/p>

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(jìn)一步轉移。冷凝的液體將通過(guò)毛細作用移動(dòng)到蒸發(fā)器，并將蒸汽推向另一側。產(chǎn)生的熱量驅動(dòng)系統運轉。

「比如說(shuō)，在筆記本電腦里，你沒(méi)有足夠的空間（在 CPU 附近）加個(gè)風(fēng)扇，」卡里馬吉說(shuō)?！杆麄儠?huì )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?！?/p>

盡管冷卻能力一般，但最大的優(yōu)勢在于熱管的尺寸?！竼慰繜峁鼙旧砜赡懿蛔阋岳鋮s 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(shù)打開(kāi)了大門(mén)。

「蓋子有助于散熱，從而提升整體熱性能，」Kelly 說(shuō)道?！复送?，在測試過(guò)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(hù)非常樂(lè )意使用。如果沒(méi)有蓋子，他們在測試過(guò)程中總是會(huì )非常注意機械完整性?！?/p>

正在開(kāi)發(fā)的冷卻技術(shù)之一是水沖擊，即將水噴灑在暴露的無(wú)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(lái)散熱多得多，」凱利說(shuō)?！杆粫?huì )發(fā)生相變，但硅片旁邊的水邊界層會(huì )變得非常薄，因此熱阻非常低?！?/p>

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

更奇特的是微流體技術(shù)，它涉及內部微通道，冷卻劑可以通過(guò)這些微通道流動(dòng)。液體并非簡(jiǎn)單地環(huán)繞封裝，而是流經(jīng)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(gè)帶風(fēng)扇的散熱器，」Karimajji 說(shuō)道?！杆鼈冎g有一個(gè)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(chēng)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?！?/p>

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。微通道現在為中間的硅片提供了一種更有效的散熱方式。但代價(jià)是復雜性和成本。

目前，這些系統主要都是單相系統?！笜I(yè)界正在努力將雙相 [系統] 從研究階段推進(jìn)到商業(yè)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(dòng)的自然路徑是通過(guò)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(diǎn)的金屬引線(xiàn)。

在先進(jìn)的封裝中，并非所有引線(xiàn)都延伸到封裝外部。這些內部信號會(huì )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(guò)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(shuō)道?！傅绻@還不夠，那么從封裝頂部散熱也是一條平行路徑?！?/p>

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(xiàn)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域確實(shí)產(chǎn)生了熱量，那么它就是凈熱源，而不是散熱片?！?/p>

Synopsys 產(chǎn)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(yōu)化工具，你可以改變凸塊密度，從而影響裸片的最高溫度?！?/p>

新型焊料和基材

焊料的類(lèi)型也很重要。金錫焊料在這方面表現良好?！笜藴屎噶系墓β拭芏燃s為 20 至 30 W/mK，」Fromm 說(shuō)道?！附疱a焊料的功率密度約為 60 W/mK，比標準焊料高出三倍?！?/p>

燒結銀也受到了一些關(guān)注，尤其是在功率器件領(lǐng)域?！赣幸活?lèi)材料是糊狀的。它們像環(huán)氧樹(shù)脂一樣被分配，」Fromm 說(shuō)?！笩Y后，它們的熱導率非常高——70 到 100 或 150 W/mK?！?/p>

據 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(huán)境下進(jìn)行?！惯@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(wú)論是通過(guò)引線(xiàn)還是芯片貼裝，都會(huì )穿過(guò)基板，然后到達 PCB。標準有機基板的導熱性適中，但未來(lái)可能會(huì )出現導熱系數更高的陶瓷基板。

弗羅姆說(shuō)：「在我看來(lái)，最理想的狀態(tài)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?！?/p>

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(chǎn)良率?！敢苍S組裝良率會(huì )推動(dòng)基板成本更高的經(jīng)濟效益，」Fromm 若有所思地說(shuō)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?！?/p>

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(lái)幫助芯片冷卻。雖然單個(gè)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(shù)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?chē)锌諝?。而模?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(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?chē)ǚ庋b內部）的空氣導熱性非常差?！鼓Ｋ懿牧先〈丝諝?，改善了側面的散熱路徑。

對于應力更大的先進(jìn)硅節點(diǎn)來(lái)說(shuō)，這一點(diǎn)可能變得更加重要?！福ü韫に嚕┖芸炀蜁?huì )達到 2 納米，」Kweon 補充道?！冈谶@種情況下，層間電介質(zhì)非常脆。模塑 FCBGA 可以降低熱應力屏障?！?/p>

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(lái)源：Bryon Moyer/半導體工程

如此多的選擇

隨著(zhù)芯片和封裝產(chǎn)生的熱量越來(lái)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，組裝方式的變化往往是漸進(jìn)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(jìn)。

盡早開(kāi)始設計至關(guān)重要?！肝覀兇_實(shí)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?！肝覀儽仨氂绊懶酒募軜?，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?！?/p>

重要的是不要忽視應用所規定的成本上限?！笖祿行娜藛T往往會(huì )有一些相當獨特的解決方案，」凱利指出?！杆麄兯诘氖袌?chǎng)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(guān)注成本和高效散熱?！?/p>