半导体集成度的不断提高，意味着需要在更小的空间内完成更多的工作，这反过来又会产生更多的热量，需要散失。先进节点芯片和多芯片组件的散热管理对其功能和寿命至关重要。虽然提高能效是降低功耗增长速度的重点，但仅靠提高能效是不够的。此外，还需要各种技术来帮助将热量向上、向下和向外散发。好消息是，我们正在多个领域取得进展。
更多的工作意味着更多的热量
电路工作所需的能量来自电源引脚，但并非所有能量都能转化为功。其中一些能量会以热量的形式被浪费掉，这些热量必须从源头带走并排到环境中。要使设计成功，散热率必须与能量使用率保持平衡。除了功率之外，还需要考虑芯片内产生热量的区域。面积越小，功率密度越大，就越需要改进冷却策略。
“关键在于设法从几平方厘米的面积中减少瓦数，”Promex首席运营官Dave Fromm说道，“单位面积的功率非常巨大。”
这也越来越成为集成电路发展的困扰。Amkor（安靠）负责Chiplet/FCBGA集成的副总裁Mike Kelly表示：“功率密度在不断攀升。铜混合键合等技术加剧了这一问题，三维（3D）堆栈的功率仍在相同的x、y基底面上。”
硅芯片的最大尺寸受限于用于图案化的网罩（26 x 33平方毫米），但封装却没有这样的上限。尺寸不能随心所欲，但部分原因是业界还不需要大批量生产如此大的封装。生产线还没有为它们配备设备。不过，较大封装的效果是进一步分散热量，降低功率密度。
Mike Kelly表示：我们并不是要继续把所有这些组件放到一个固定的尺寸中。尺寸在不断增大，这使得功率密度可能保持均衡或逐渐上升。
然而，更大的封装可能更容易变形。安靠公司Chiplet/FCBGA开发高级总监YoungDo Kweon表示：目前，60 x 60平方毫米的主体尺寸很常见。安靠还在生产85 x 85平方毫米的芯片。几年后，我们的产品尺寸将超过100 x 100平方毫米。这意味着热应力有可能增加。材料的热导率是以W/Km（瓦特/开尔文米）为单位测量的。路径距离越短，导热系数越高，因此路径中的任何材料越薄越好。
热量在封装中的移动方式
热量主要在有源硅层产生，然后可以通过不同的路径散发。例如，在翻转芯片封装中，热量可以通过硅体传到背面并散发出去。在某些情况下，热量也可以通过金属连接向下传导到PCB上，或者在某些应用中横向传导。不同路径的选择取决于具体应用。例如，笔记本电脑可以从芯片背面和主板的另一侧散发热量，但对于数据中心和高性能计算（HPC）应用，通过主板向下传导的热量路径阻力较大，因此超过95%的热量是通过顶部散发的。
多年来，散热器（有些带有内置风扇）一直是高功率封装的标准配置。它们由铜或铝制成，金属的选择取决于热量在散热器之后的去向。
铝吸收封装中的热量时，温度变化更快。更大的温度变化使得热交换效率更高。Dave Fromm指出：“对于同样大小的散热器，改变铜的温度比改变铝的温度更难。”
如果散热器与空气交换热量，那么空气必然流动。空气的导热性很差。如果散热器连接到另一个导热固体上，那么铜可能是更好的选择。铜的比热容更高，这意味着它可以储存更多的热量，而温度升高幅度不如铝。因此，铜与空气的交换效率较低，但如果连接到另一个固体上，它可以非常有效地将热量传导到后续的散热器中。
如果正在进行的计算工作是突发性的，并且空闲时间很长，那么铜也可以与风扇配合使用，因为它有更多时间与空气交换。Dave Fromm表示：“如果是短脉冲，而且脉冲非常高，并且停机时间很长，那么铜在长时间内会更好地抑制这种脉冲。而铝会瞬间变得非常热。”
芯片局部过热是另一个挑战。与其装备整个封装以散发足够的热量来同时处理所有热点，不如使用热扩散器在封装内平均分散热量。传统的金属扩散器位于封装内部，可以是单独的金属块，也可以是与芯片有热连接的金属外壳。
“实现良好散热的最佳方法是有效地在垂直方向上移除散热片，”Mike Kelly说道。“如果移除得非常有效，热点就没有机会变得更热并散发热量。”
目前，业界正在积极开发连接扩散器和其他元件的方法，称为热界面材料（TIM）。它们的作用是确保两个表面之间的共形层。“如果它不支撑部件，你最好使用胶水，尽管人们也会使用油脂。”Dave Fromm解释说，“关键是要消除气隙。理想的TIM应该能够保持原位，但从应力角度来看，它具有很好的保形性。”
典型的封装可能涉及两种TIM，有时称为TIM I和TIM II。“封装内部有两个不同的界面，”YoungDo Kweon说道，“一个位于散热器和导热片之间，另一个位于芯片背面和导热片之间。”
金属导热界面材料即将问世
传统的TIM主要是聚合物，但由于聚合物导热性能不佳，它们通常被掺杂有导电添加剂。“人们正在用碳、石墨或各种高导热金属掺杂它们，”Dave Fromm说道，“金刚石是另一种开始使用的填料。金刚石的导热性可能比铜高5到10倍。”
尽管如此，TIM的导热性仍然较差，因此保持它们的层尽可能薄有助于保持热路径尽可能短。它们对于散发约100W热量的封装来说已经足够，但预计新型芯片和先进封装将需要散发高达1000W的热量，这对当前材料构成了挑战。
金属TIM，特别是铟合金，现在具有更高的热导率。安靠发现，切换到铟合金可以将芯片的结温降低超过10°C。“（使用聚合物TIM）温度升高10°C通常意味着芯片寿命缩短一半，”YoungDo Kweon指出，“现在许多客户想要金属TIM（用于功率高于400W的芯片）。
TIM随热量膨胀的速率与其附着材料不同，因此粘合剂可能比油脂经历更多的热应力。这可能是YoungDo Kweon预见在未来几年内更大的封装中可能出现的问题。对于YoungDo Kweon预见到的几年后出现的更大封装，这可能是一个问题。“这意味着，如果使用聚合物TIM，（它可能无法）很好地发挥作用，因为芯片边缘周围的拉伸应力（可能导致）分层，”他说道。
系统侧组件
流动的空气只能提供有限的冷却效果，因此对于更具挑战性的组件，液体的使用方式多种多样。用液体（浸没）包围封装或子系统可以比空气更有效地散热。
“当功耗达到800~1200W（取决于封装结构）时，风冷系统就无法再维持了，”Mike Kelly说道，“你必须采用某种液冷技术，让冷却液直接接触芯片。”
这需要一个封闭系统，液体可以在其中循环，从产生热量的组件到可以冷却液体的交换器，然后再循环回来。这也提高了芯片和冷却溶液之间的温度梯度。“这会导致各处的应力都更高，”Mike Kelly指出，“好消息是，IC封装的材料比十年前好得多。”
传统的液体冷却仅依赖液体，但更先进的版本使用液相和气相。“最先进的冷却方法是两相沸腾流，”新思科技（Synopsys）高级工程师Satya Karimajji说。
浸没式将液体冷却提升到一个新的水平，将整个系统浸入流动的液体中，这种液体比其他技术更有效地去除热量。然而，它既复杂又昂贵，因为系统必须密封以容纳液体。研究集中在寻找最有效的液体。“他们正在研究可以使用的不同类型的介电流体和制冷剂。”Satya Karimajji说道。
当空间有限时
在空间有限的情况下，液体/气体也在两种不同的方法中发挥作用。均热板虽然不是新事物，但随着时间的推移越来越受欢迎，作为一种扩散热量的手段。“如今，许多客户都在转向均热板，并在封装顶部放置冷板。”YoungDo Kweon说。
均热板不是金属块，而是一个密封的腔室，内部含有蒸汽，一侧接触芯片，另一侧接触冷却板。这些是两相系统，热源作为蒸发器，冷却侧作为冷凝器。它们通常内部有一些吸湿材料，有助于将冷凝液体带回蒸发器。
Satya Karimajji表示，比如说，热量在一个小区域内散发，但你想把热量扩散到一个更大的区域。均热板提高了散热器底座的温度均匀性。
在笔记本电脑和手机等缺乏散热片空间的系统中，热管可以将热量从源头转移到更远的地方。凝结的液体会通过毛细管作用移动到蒸发器，推动另一侧的蒸汽。产生的热量驱动系统。
Satya Karimajji说：例如，在笔记本电脑中，你没有足够的空间在CPU附近安装风扇。他们将热管从CPU的顶部延伸到笔记本电脑的边缘，这样就可以在那安装风扇。这样做的好处是不需要泵。尽管散热能力适中，但热管的尺寸是最大的优势。它们本身可能不足以冷却GPU。“单靠热管本身可能不足以冷却GPU，”Satya Karimajji指出。这些结构中使用的液体通常是去离子水，但根据工作温度，制冷剂也可以起到一定的作用。
加盖——或不加盖
封装上的盖子为封装内容物提供了保护和机械稳定性。但裸露芯片背面则为不同的冷却技术打开了大门。
“盖子有助于散热，从而有助于提高整体热性能，”Mike Kelly说道。“而且，在测试过程中使用保护结构也有很大的好处，因为这些功能性或系统级测试的插入在机械性能上非常严格。因此，我们的客户会非常乐意使用盖子。如果没有盖子，他们在测试过程中总是会非常注意机械完整性。”
正在开发的冷却技术之一是水冲击冷却，即将水直接喷洒在裸露的无盖芯片背面。
“如果直接将水喷洒在硅片顶部，可以比将水置于某种水套中去除更多的热量，”Mike Kelly说道。“水不会发生相变，但靠近硅片的水的边界层会变得非常薄，因此热阻非常低。”
对于没有盖子机械支撑的芯片，在基板边缘放置的加强环等加强件可以帮助提供刚性，并减轻温度变化带来的翘曲。
更奇特的是微流体技术，它涉及冷却剂可以流动的内部微通道。液体不是简单地围绕封装，而是流经通道，在内部吸收热量。
Satya Karimajji表示：微通道散热器有两部分，一部分位于CPU块的顶部，另一部分是带有风扇的散热器。连接它们的是一个液体回路。液体流经CPU模块，吸收热量，然后进入散热器所在的冷却剂储存器（称为散热器）。它将热量交换回环境中，然后将冷液体泵回CPU模块。
这对于硅片堆栈的冷却尤其有前景，因为堆栈顶部的硅片很容易将热量散失到环境中，而中间的硅片必须以某种方式将热量通过堆栈传递出去。现在，微通道为中间的硅片提供了一种更有效的散热方式。但代价是复杂性和费用。
这些系统目前主要是单相系统。Satya Karimajji补充道，业界正在努力使两相系统从研究阶段进入商业化阶段。
将热量向下传导至PCB
热量向下输送到PCB并流向系统其他部分的路径更为复杂。热量流动的自然路径是通过芯片和基板之间的界面（即芯片粘接层），以及从芯片向下延伸到PCB连接处的金属引线。
在高级封装中，并非所有引线都会最终到达封装外部。这些内部信号会在封装内的组件之间传递热量。那些传到外部的信号在到达基板之前，可能需要经过中介层或硅桥。
Satya Karimajji表示：我们的中介层可以多达六层。但如果这还不够，那么从封装的顶面引出热量也是另一条平行路径。
导热性更强的共晶合金可以改善通过芯片粘接层的热传导。引线也发挥了一定的作用。
Dave Fromm表示：金属密度有助于热量散发。接地连接和平面对此很有帮助。但是，如果芯片的高连接区域实际上正在产生热量，那么它就是一个净热源，而不是散热器。
新思科技产品管理总监Keith Lanier说：芯片的最高温度取决于互连凸块的密度。利用电子设计自动化（EDA）优化工具，你可以改变凸点密度，从而影响芯片的最高温度。
新型焊料和基板
焊料的类型也很重要。金锡焊料在这方面表现出色。Dave Fromm表示，标准焊料的导热系数大约为20到30W/mK，金锡焊料的导热系数大约为60W/mK，比标准焊料高出三倍。
烧结银也受到了一些关注，尤其是在功率器件方面。“有一类材料是膏状的。它们像环氧树脂一样被分配，”Dave Fromm说道。“烧结后，它们的热导率非常高——70到~100或150W/mK。”
据YoungDo Kweon称，安靠也在研究铜铅键合技术，但这种材料更具挑战性，需要更精细的加工，从而增加了成本。“虽然可以做到，但表面必须非常干净，并且必须控制表面氧化，所以必须在惰性气体环境中进行。”Dave Fromm说道，这些挑战与铜基混合芯片键合的挑战如出一辙。
所有这些潜在的热路径都会穿过基板，然后到达PCB，无论是通过引线还是芯片键合。标准有机基板的导热性适中，但未来可能会出现导热系数更高的陶瓷基板。
“在我看来，理想的解决方案是一种高密度、高导热系数的陶瓷，它既能吸收热量，又能提供足够的I/O密度。”Dave Fromm说道。
这种基板比有机基板更贵，但它们也更平整、更坚硬，从而可以提高产量。“或许组装良率会推动基板成本更高的经济效益。”Dave Fromm沉思道。“如果能以更高的收益或更高的性能构建它，那或许就值得了。”
将热量转移到侧面
将热量从芯片侧面引出，可以增加一条散热路径，帮助芯片冷却。虽然单个芯片可能太薄，因此这种散热路径效果不佳，但堆叠芯片可以从一条无需考虑微流控成本和复杂性的侧向散热路径中受益。一种方法是模塑倒装芯片球栅阵列（FCBGA）。
在标准FCBGA中，元件周围有空气。在模塑FCBGA中，该空间填充了导热模塑材料，使热量可以从堆叠芯片的侧面散发出去。
“对于芯片堆叠，夹层芯片没有良好的散热路径，因为芯片周围（封装内部）的空气导热性很差，”YoungDo Kweon说道。模塑材料取代了空气，改善了侧向散热路径。
对于应力更大的先进硅节点来说，这可能变得更加重要。“硅工艺很快就会发展到2nm，”YoungDo Kweon补充道，“在这种情况下，层间电介质非常易碎。模塑FCBGA可以降低热应力屏障。
如此丰富的选择
随着芯片和封装产生的热量越来越多，冷却方案的数量也在不断增加。考虑到封装内元件之间的相互作用，组装变更往往会逐步发生。即使即将出现革命性的新系统，也不太可能取代我们现有的系统。因此，我们在这里看到的这些零碎部件将以不同的组合方式持续发展。
尽早开始设计至关重要。“我们确实看到了更多的前期工作，包括架构探索，甚至在RTL级别，”新思科技SoC工程高级总监Shawn Nikoukary表示。“我们必须影响芯片的架构才能获得最佳的热性能。我们在架构阶段做的工作越多，最终实现就越容易。”
重要的是不要忽视应用所规定的成本上限。“数据中心人员往往会有一些非常独特的解决方案，”Mike Kelly指出，“他们所在的市场更容易负担得起这些方案。但如果考虑笔记本电脑、台式机或其他边缘设备，我们真的必须关注成本和高效散热。”（校对/张杰）
参考链接：https://semiengineering.com/cooling-chips-still-a-top-challenge/
