半導(dǎo)體集成度的不斷提高，意味著需要在更小的空間內(nèi)完成更多的工作，這反過(guò)來(lái)又會(huì)產(chǎn)生更多的熱量，需要散失。先進(jìn)節(jié)點(diǎn)芯片和多芯片組件的散熱管理對(duì)其功能和壽命至關(guān)重要。雖然提高能效是降低功耗增長(zhǎng)速度的重點(diǎn)，但僅靠提高能效是不夠的。此外，還需要各種技術(shù)來(lái)幫助將熱量向上、向下和向外散發(fā)。好消息是，我們正在多個(gè)領(lǐng)域取得進(jìn)展。

更多的工作意味著更多的熱量

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(zhuǎn)化為功。其中一些能量會(huì)以熱量的形式被浪費(fèi)掉，這些熱量必須從源頭帶走并排到環(huán)境中。要使設(shè)計(jì)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(nèi)產(chǎn)生熱量的區(qū)域。面積越小，功率密度越大，就越需要改進(jìn)冷卻策略。

“關(guān)鍵在于設(shè)法從幾平方厘米的面積中減少瓦數(shù)，”Promex首席運(yùn)營(yíng)官Dave Fromm說(shuō)道，“單位面積的功率非常巨大?！?/p>

這也越來(lái)越成為集成電路發(fā)展的困擾。Amkor（安靠）負(fù)責(zé)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(shù)加劇了這一問(wèn)題，三維（3D）堆棧的功率仍在相同的x、y基底面上?！?/p>

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

Mike Kelly表示：我們并不是要繼續(xù)把所有這些組件放到一個(gè)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(fā)高級(jí)總監(jiān)YoungDo Kweon表示：目前，60 x 60平方毫米的主體尺寸很常見(jiàn)。安靠還在生產(chǎn)85 x 85平方毫米的芯片。幾年后，我們的產(chǎn)品尺寸將超過(guò)100 x 100平方毫米。這意味著熱應(yīng)力有可能增加。材料的熱導(dǎo)率是以W/Km（瓦特/開爾文米）為單位測(cè)量的。路徑距離越短，導(dǎo)熱系數(shù)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(dòng)方式

熱量主要在有源硅層產(chǎn)生，然后可以通過(guò)不同的路徑散發(fā)。例如，在翻轉(zhuǎn)芯片封裝中，熱量可以通過(guò)硅體傳到背面并散發(fā)出去。在某些情況下，熱量也可以通過(guò)金屬連接向下傳導(dǎo)到PCB上，或者在某些應(yīng)用中橫向傳導(dǎo)。不同路徑的選擇取決于具體應(yīng)用。例如，筆記本電腦可以從芯片背面和主板的另一側(cè)散發(fā)熱量，但對(duì)于數(shù)據(jù)中心和高性能計(jì)算（HPC）應(yīng)用，通過(guò)主板向下傳導(dǎo)的熱量路徑阻力較大，因此超過(guò)95%的熱量是通過(guò)頂部散發(fā)的。

多年來(lái)，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(shí)，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(duì)于同樣大小的散熱器，改變銅的溫度比改變鋁的溫度更難?！?/p>

如果散熱器與空氣交換熱量，那么空氣必然流動(dòng)。空氣的導(dǎo)熱性很差。如果散熱器連接到另一個(gè)導(dǎo)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(chǔ)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(gè)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(jì)算工作是突發(fā)性的，并且空閑時(shí)間很長(zhǎng)，那么銅也可以與風(fēng)扇配合使用，因?yàn)樗懈鄷r(shí)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(jī)時(shí)間很長(zhǎng)，那么銅在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)會(huì)更好地抑制這種脈沖。而鋁會(huì)瞬間變得非常熱?！?/p>

芯片局部過(guò)熱是另一個(gè)挑戰(zhàn)。與其裝備整個(gè)封裝以散發(fā)足夠的熱量來(lái)同時(shí)處理所有熱點(diǎn)，不如使用熱擴(kuò)散器在封裝內(nèi)平均分散熱量。傳統(tǒng)的金屬擴(kuò)散器位于封裝內(nèi)部，可以是單獨(dú)的金屬塊，也可以是與芯片有熱連接的金屬外殼。

“實(shí)現(xiàn)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(shuō)道?！叭绻瞥梅浅Ｓ行?，熱點(diǎn)就沒(méi)有機(jī)會(huì)變得更熱并散發(fā)熱量。”

目前，業(yè)界正在積極開發(fā)連接擴(kuò)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(gè)表面之間的共形層?！叭绻恢尾考阕詈檬褂媚z水，盡管人們也會(huì)使用油脂?！盌ave Fromm解釋說(shuō)，“關(guān)鍵是要消除氣隙。理想的TIM應(yīng)該能夠保持原位，但從應(yīng)力角度來(lái)看，它具有很好的保形性?！?/p>

典型的封裝可能涉及兩種TIM，有時(shí)稱為TIM I和TIM II?！胺庋b內(nèi)部有兩個(gè)不同的界面，”YoungDo Kweon說(shuō)道，“一個(gè)位于散熱器和導(dǎo)熱片之間，另一個(gè)位于芯片背面和導(dǎo)熱片之間?！?/p>

金屬導(dǎo)熱界面材料即將問(wèn)世

傳統(tǒng)的TIM主要是聚合物，但由于聚合物導(dǎo)熱性能不佳，它們通常被摻雜有導(dǎo)電添加劑?！叭藗冋谟锰肌⑹蚋鞣N高導(dǎo)熱金屬摻雜它們，”Dave Fromm說(shuō)道，“金剛石是另一種開始使用的填料。金剛石的導(dǎo)熱性可能比銅高5到10倍?！?/p>

盡管如此，TIM的導(dǎo)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(duì)于散發(fā)約100W熱量的封裝來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠，但預(yù)計(jì)新型芯片和先進(jìn)封裝將需要散發(fā)高達(dá)1000W的熱量，這對(duì)當(dāng)前材料構(gòu)成了挑戰(zhàn)。

金屬TIM，特別是銦合金，現(xiàn)在具有更高的熱導(dǎo)率。安靠發(fā)現(xiàn)，切換到銦合金可以將芯片的結(jié)溫降低超過(guò)10°C。“（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，”YoungDo Kweon指出，“現(xiàn)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(jīng)歷更多的熱應(yīng)力。這可能是YoungDo Kweon預(yù)見(jiàn)在未來(lái)幾年內(nèi)更大的封裝中可能出現(xiàn)的問(wèn)題。對(duì)于YoungDo Kweon預(yù)見(jiàn)到的幾年后出現(xiàn)的更大封裝，這可能是一個(gè)問(wèn)題?！斑@意味著，如果使用聚合物TIM，（它可能無(wú)法）很好地發(fā)揮作用，因?yàn)樾酒吘壷車睦鞈?yīng)力（可能導(dǎo)致）分層，”他說(shuō)道。

系統(tǒng)側(cè)組件

流動(dòng)的空氣只能提供有限的冷卻效果，因此對(duì)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(méi)）包圍封裝或子系統(tǒng)可以比空氣更有效地散熱。

“當(dāng)功耗達(dá)到800~1200W（取決于封裝結(jié)構(gòu)）時(shí)，風(fēng)冷系統(tǒng)就無(wú)法再維持了，”Mike Kelly說(shuō)道，“你必須采用某種液冷技術(shù)，讓冷卻液直接接觸芯片。”

這需要一個(gè)封閉系統(tǒng)，液體可以在其中循環(huán)，從產(chǎn)生熱量的組件到可以冷卻液體的交換器，然后再循環(huán)回來(lái)。這也提高了芯片和冷卻溶液之間的溫度梯度。“這會(huì)導(dǎo)致各處的應(yīng)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?！?/p>

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

浸沒(méi)式將液體冷卻提升到一個(gè)新的水平，將整個(gè)系統(tǒng)浸入流動(dòng)的液體中，這種液體比其他技術(shù)更有效地去除熱量。然而，它既復(fù)雜又昂貴，因?yàn)橄到y(tǒng)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(shuō)道。

當(dāng)空間有限時(shí)

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

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

Satya Karimajji表示，比如說(shuō)，熱量在一個(gè)小區(qū)域內(nèi)散發(fā)，但你想把熱量擴(kuò)散到一個(gè)更大的區(qū)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(jī)等缺乏散熱片空間的系統(tǒng)中，熱管可以將熱量從源頭轉(zhuǎn)移到更遠(yuǎn)的地方。凝結(jié)的液體會(huì)通過(guò)毛細(xì)管作用移動(dòng)到蒸發(fā)器，推動(dòng)另一側(cè)的蒸汽。產(chǎn)生的熱量驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

Satya Karimajji說(shuō)：例如，在筆記本電腦中，你沒(méi)有足夠的空間在CPU附近安裝風(fēng)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(fēng)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(yōu)勢(shì)。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(jié)構(gòu)中使用的液體通常是去離子水，但根據(jù)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(nèi)容物提供了保護(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，從而有助于提高整體熱性能，”Mike Kelly說(shuō)道?！岸?，在測(cè)試過(guò)程中使用保護(hù)結(jié)構(gòu)也有很大的好處，因?yàn)檫@些功能性或系統(tǒng)級(jí)測(cè)試的插入在機(jī)械性能上非常嚴(yán)格。因此，我們的客戶會(huì)非常樂(lè)意使用蓋子。如果沒(méi)有蓋子，他們?cè)跍y(cè)試過(guò)程中總是會(huì)非常注意機(jī)械完整性。”

正在開發(fā)的冷卻技術(shù)之一是水沖擊冷卻，即將水直接噴灑在裸露的無(wú)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(shuō)道?！八粫?huì)發(fā)生相變，但靠近硅片的水的邊界層會(huì)變得非常薄，因此熱阻非常低。”

對(duì)于沒(méi)有蓋子機(jī)械支撐的芯片，在基板邊緣放置的加強(qiáng)環(huán)等加強(qiáng)件可以幫助提供剛性，并減輕溫度變化帶來(lái)的翹曲。

更奇特的是微流體技術(shù)，它涉及冷卻劑可以流動(dòng)的內(nèi)部微通道。液體不是簡(jiǎn)單地圍繞封裝，而是流經(jīng)通道，在內(nèi)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(fēng)扇的散熱器。連接它們的是一個(gè)液體回路。液體流經(jīng)CPU模塊，吸收熱量，然后進(jìn)入散熱器所在的冷卻劑儲(chǔ)存器（稱為散熱器）。它將熱量交換回環(huán)境中，然后將冷液體泵回CPU模塊。

這對(duì)于硅片堆棧的冷卻尤其有前景，因?yàn)槎褩ｍ敳康墓杵苋菀讓崃可⑹У江h(huán)境中，而中間的硅片必須以某種方式將熱量通過(guò)堆棧傳遞出去?，F(xiàn)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(jià)是復(fù)雜性和費(fèi)用。

這些系統(tǒng)目前主要是單相系統(tǒng)。Satya Karimajji補(bǔ)充道，業(yè)界正在努力使兩相系統(tǒng)從研究階段進(jìn)入商業(yè)化階段。

將熱量向下傳導(dǎo)至PCB

熱量向下輸送到PCB并流向系統(tǒng)其他部分的路徑更為復(fù)雜。熱量流動(dòng)的自然路徑是通過(guò)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(jí)封裝中，并非所有引線都會(huì)最終到達(dá)封裝外部。這些內(nèi)部信號(hào)會(huì)在封裝內(nèi)的組件之間傳遞熱量。那些傳到外部的信號(hào)在到達(dá)基板之前，可能需要經(jīng)過(guò)中介層或硅橋。

Satya Karimajji表示：我們的中介層可以多達(dá)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(dǎo)熱性更強(qiáng)的共晶合金可以改善通過(guò)芯片粘接層的熱傳導(dǎo)。引線也發(fā)揮了一定的作用。

Dave Fromm表示：金屬密度有助于熱量散發(fā)。接地連接和平面對(duì)此很有幫助。但是，如果芯片的高連接區(qū)域?qū)嶋H上正在產(chǎn)生熱量，那么它就是一個(gè)凈熱源，而不是散熱器。

新思科技產(chǎn)品管理總監(jiān)Keith Lanier說(shuō)：芯片的最高溫度取決于互連凸塊的密度。利用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）優(yōu)化工具，你可以改變凸點(diǎn)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(xiàn)出色。Dave Fromm表示，標(biāo)準(zhǔn)焊料的導(dǎo)熱系數(shù)大約為20到30W/mK，金錫焊料的導(dǎo)熱系數(shù)大約為60W/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，尤其是在功率器件方面。“有一類材料是膏狀的。它們像環(huán)氧樹脂一樣被分配，”Dave Fromm說(shuō)道。“燒結(jié)后，它們的熱導(dǎo)率非常高——70到~100或150W/mK?！?/p>

據(jù)YoungDo Kweon稱，安靠也在研究銅鉛鍵合技術(shù)，但這種材料更具挑戰(zhàn)性，需要更精細(xì)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(huán)境中進(jìn)行。”Dave Fromm說(shuō)道，這些挑戰(zhàn)與銅基混合芯片鍵合的挑戰(zhàn)如出一轍。

所有這些潛在的熱路徑都會(huì)穿過(guò)基板，然后到達(dá)PCB，無(wú)論是通過(guò)引線還是芯片鍵合。標(biāo)準(zhǔn)有機(jī)基板的導(dǎo)熱性適中，但未來(lái)可能會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)熱系數(shù)更高的陶瓷基板。

“在我看來(lái)，理想的解決方案是一種高密度、高導(dǎo)熱系數(shù)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(shuō)道。

這種基板比有機(jī)基板更貴，但它們也更平整、更堅(jiān)硬，從而可以提高產(chǎn)量。“或許組裝良率會(huì)推動(dòng)基板成本更高的經(jīng)濟(jì)效益?！盌ave Fromm沉思道。“如果能以更高的收益或更高的性能構(gòu)建它，那或許就值得了?！?/p>

將熱量轉(zhuǎn)移到側(cè)面

將熱量從芯片側(cè)面引出，可以增加一條散熱路徑，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，但堆疊芯片可以從一條無(wú)需考慮微流控成本和復(fù)雜性的側(cè)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(biāo)準(zhǔn)FCBGA中，元件周圍有空氣。在模塑FCBGA中，該空間填充了導(dǎo)熱模塑材料，使熱量可以從堆疊芯片的側(cè)面散發(fā)出去。

“對(duì)于芯片堆疊，夾層芯片沒(méi)有良好的散熱路徑，因?yàn)樾酒車ǚ庋b內(nèi)部）的空氣導(dǎo)熱性很差，”YoungDo Kweon說(shuō)道。模塑材料取代了空氣，改善了側(cè)向散熱路徑。

對(duì)于應(yīng)力更大的先進(jìn)硅節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，這可能變得更加重要?！肮韫に嚭芸炀蜁?huì)發(fā)展到2nm，”YoungDo Kweon補(bǔ)充道，“在這種情況下，層間電介質(zhì)非常易碎。模塑FCBGA可以降低熱應(yīng)力屏障。

如此豐富的選擇

隨著芯片和封裝產(chǎn)生的熱量越來(lái)越多，冷卻方案的數(shù)量也在不斷增加?？紤]到封裝內(nèi)元件之間的相互作用，組裝變更往往會(huì)逐步發(fā)生。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?cè)谶@里看到的這些零碎部件將以不同的組合方式持續(xù)發(fā)展。

盡早開始設(shè)計(jì)至關(guān)重要。“我們確實(shí)看到了更多的前期工作，包括架構(gòu)探索，甚至在RTL級(jí)別，”新思科技SoC工程高級(jí)總監(jiān)Shawn Nikoukary表示?！拔覀儽仨氂绊懶酒募軜?gòu)才能獲得最佳的熱性能。我們?cè)诩軜?gòu)階段做的工作越多，最終實(shí)現(xiàn)就越容易?！?/p>

重要的是不要忽視應(yīng)用所規(guī)定的成本上限?！皵?shù)據(jù)中心人員往往會(huì)有一些非常獨(dú)特的解決方案，”Mike Kelly指出，“他們所在的市場(chǎng)更容易負(fù)擔(dān)得起這些方案。但如果考慮筆記本電腦、臺(tái)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?！保ㄐ?duì)/張杰）

參考鏈接：https://semiengineering.com/cooling-chips-still-a-top-challenge/