3D封装的芯片散热问题的解决办法

随着行业转向 3D 封装并继续扩展数字逻辑，热挑战不断增加，正在推动研发的极限。

将太多热量困在太小空间中的基本物理原理会导致实际问题，例如消费品太热而无法握住。然而，更糟糕的是功率和可靠性的损失，因为过热的 DRAM 必须不断更新，并且芯片在汽车等高温行业中变得更加紧张。

“在理想的世界中，您的芯片由铜制成，而您的基板将 100% 由铜制成，” Amkor的高级机械工程师 Nathan Whitchurch 说。“但即使你可以，你也不会因为封装中的其他一些限制因素而获得更多性能。”

热问题正在成为 2.5D 和 3D 封装中的早期设计和封装决策。ASE销售和营销高级副总裁 Yin Chang 表示：“散热考虑是我们必须考虑的关键问题之一，在逻辑上是内存，也是逻辑堆栈上的逻辑。”

随着行业寻求解决方案，微流体和热界面材料 (TIM) 成为关键的发展领域。前者正在取得突破。后者正在逐步改进。为了散热，液体冷却器可以直接连接到芯片上，或者通道可以内置在芯片本身中。在 TIM 方面，烧结银环氧树脂正在获得使用。

微流体（microfluidics）可能很快就会过渡到生产。“我敢打赌，微流体将开始出现在超奇异的地方，特别是如果你开始堆叠高性能逻辑，” Synopsys的杰出架构师 Rob Aitken 说。“如果你不采取任何冷却措施，那么你的堆叠逻辑将仅限于单个芯片的散热。有巨大的经济推动力来解决这些问题。鉴于此，并鉴于人们的创造力，我敢打赌有人会以某种聪明的方式解决它。”

微流体的现状

在过去的 40 年里，商业微流体技术指日可待。Tuckerman 和 Pease 于 1981 年在一篇现已成为经典的论文中首次描述了将液体嵌入微/纳米级通道以冷却半导体的想法。从那时起就尝试了各种变体，现在一些项目显示出真正和实用的冷却前景。

两年前，瑞士洛桑联邦理工学院 (EPFL) 的一个小组展示了一个原型，该原型使冷却液尽可能靠近热源。该设计是经常讨论的微流体目标的工作版本——将通道直接集成到芯片中，而不是依赖于 TIM 或键合，后者由于可靠性问题而使商业市场变得不稳定。

瑞士团队克服了挑战，用他们论文的语言创造了“一种单片集成的歧管微通道冷却结构，[其中] 仅使用每平方厘米 0.57 瓦的泵浦功率就可以提取超过每平方厘米 1.7 千瓦的热通量。” 

这篇论文引起了投资者的兴趣，他们的想法从实验室发展成为一家初创公司。它的第一作者 Remco van Erp 与他的 EPFL 教授 Elison Matioli 和首席运营官 Sam Harrison 共同创立了一家名为 Corintis 的公司，该公司已获得瑞士政府的资助，用于开发其创新的商业版本。

“从热学的角度来看，Corintis 的方法是一种非常有趣的冷却解决方案，因为冷却剂可以尽可能靠近热源的位置，并且在这种配置中可以消除几个热障，”Herman Oprins 说，imec技术人员主要成员. 但他警告说，商业采用并不是必然的。“这是一种颠覆性的冷却解决方案，需要在流体通道结构和电子设备之间进行紧密的协同设计，以充分发挥这种冷却方法的潜力。它非常适合具有极高功率密度的具有挑战性的应用，例如论文中所示的电源条结构。对于功率密度在数百 W/cm² 范围内的 CMOS 应用，可以使用具有数百 µm 更松弛通道直径的单独冷却块。”

三年前，Imec 展示了自己的微流体原型。它的新闻稿将这一概念描述为“将硅微通道散热器组装到高性能芯片上，用于冷却后者。[它] 在低于 2W 的泵浦功率下实现了 0.34K/W 至 0.28K/W 的低总热阻。” 

“我们有两种主要类型的原型，”Oprins 解释说。“一个是硅微通道冷却器。那里的主要发展是与低热阻芯片的接合。第二个是使用复杂形状的 3D 打印冷却几何结构在芯片上进行直接液体冷却。”

据 Oprins 称，虽然 imec 的努力尚未商业化，但公司已经在提供类似的设计。

在描述 imec 原型的起源时，Oprins 说：“我们利用晶圆间键合知识将冷却器键合到芯片上，热阻非常低，小于 1 mm 2 -K/W。因此，我们可以不使用热界面材料，而是使用熔合、氧化物键合或金属键合。半导体加工的主要优势在于，非常细的线可以有严格的公差。”

Oprins 指出了几个问题。“为了包装的机械完整性，您需要用加强环来弥补盖子的缺失，”他说。“如果通道太小，推动冷却剂通过的压降就会过高。液体的体积是有限的。”然而，他指出，虽然更高的压力是一个潜在的缺点，但它并不是一个阻碍。“采用缓慢的主要原因是可靠性问题（泄漏）、维护需求和系统复杂性。”

图 1. 各种冷却方法。资料来源：IMEC

Oprins 将当前和提议的商业液体冷却方法分为四种不同的类型：

螺栓固定式冷却器。这是数据中心当前最先进的技术。冷却板位于盖子顶部而不是散热器。TIM 在上方和下方使用。

直接连接冷却器。一些地方开始采用这种配置。冷却器直接粘合到芯片上，只有一层热界面材料。Imec 的原型使用此布局，并进行了修改。

背面冷却。仅在研究中提出，这种布局允许冷却剂更靠近热源。它不使用键合，而是使用与芯片直接接触的介电液体。由于液体和芯片之间存在垂直连接，因此避免了横向设计的热梯度问题。

片内冷却。这就是 Corintis 试图商业化的想法。冷却剂包含在嵌入芯片的通道内。虽然它可以提供最佳的冷却效果，但一个潜在的挑战是可能没有足够的空间用于较低间距的通道。

除了这项工作，QP Technologies的高级工艺工程师 Sam Sadri最近还展示了一个内部冷却封装的原型。它采用 3D 技术创建，由陶瓷氧化铝制成，采用厚膜技术进行顶部金属化，多个 SiC FET 将连接到其上。

“氧化铝已经是一种氧化物，而铜很容易氧化，所以这两种氧化物结合在一起，这就是这种界面的形成方式，”Sadri 解释道。“这是迄今为止用陶瓷制造功率模块最便宜的方法。有一些方法可以进一步降低成本。隔离金属基板 (IMS) 基本上类似于任何 PCB 制造技术，但它使用重铜。虽然大多数 PCB 铜含有 0.25 至 0.5 盎司的铜，但接近 3 或 4 盎司。这是我所看到的比具有相同占地面积的氧化铝更具成本效益的东西。”

原型的尺寸约为 4″ x 2 ½” x ¾” 深。虽然它比典型的基板厚，但这种矩形结构的特殊之处在于它具有贯穿始终的通道，其较短的边上有出口孔。“这是我在执政期间见过的最酷的事情之一，”萨德里说。“当您将其加电至全工作周期时，模块会散发出大量热量。你如何摆脱热量？您通过通道发送冷却剂，例如冷空气、氮冷却剂或其他一些冷物质。随着它的运行，它也在冷却下来。”

改进 TIM

如上图所示，螺栓固定式冷却器和直接接合的冷却器都使用 TIM 来优化芯片和冷却器之间的热传导，许多其他配置也是如此。TIM 使用多种材料，包括“导热油脂、间隙填充物、绝缘硬件材料、导热垫和薄膜、石墨垫和薄膜、导热胶带、相变材料和导热环氧树脂 [以及] 导热陶瓷，例如，氧化铝，氮化铝和氧化铍，”根据最近对冷却系统的评论。

然而，事实证明，许多 TIM 并不像其广泛使用所暗示的那样高效。“随着液体冷却性能的提高，热界面材料成为一个重要的热瓶颈，”Oprins 说。“系统集成商对如何用性能更好的材料替代 TIM 以及可靠性风险有哪些有很多疑问。”

挑战在于发现一种具有非常高导热性的材料，同时又非常柔韧，因此它可以遵循不同组件的拓扑结构。

“通常，大多数具有良好导电性的材料也非常坚硬，因此它们不仅不会适应，还会增加应力，”Oprins 解释道。“您正在寻找一种很难找到的组合。因此，不会有任何一种材料具有这些特性。研究人员将不得不通过制造复合材料来设计一个。例如，不再像过去那样只使用硅胶膏，现在可以在内部添加导热颗粒以提高导热性能。可以有复合材料。甚至可能有碳纳米管或石墨烯片。在那个特定领域有很多进步。我们从硅基材料开始，最终将以金属基热界面材料结束，但首先要解决很多可靠性问题。”

鉴于对新型材料的迫切需求，Amkor 的 Whitchurch 强调所有工程师都应该尊重材料科学的突破对于解决热问题的重要性——并且该行业还有很长的路要走才能找到灵活、可靠且经济的材料.

他说:“我们正在探索许多不同的TIMs，它们不再是基于聚合物的。”“以前很奇特的东西正在变得不那么奇特，比如烧结银，你最终会在盖子和模具之间得到非常坚硬、高导热率的银合金基体。另一个例子是较软的金属材料，如基于铟的材料。镓让人害怕，因为它会和铝反应，所以我们没见过那么多这样的环境。几年前，我们经常谈论相变材料，但当人们意识到可靠性和其他优势不存在时，相变材料似乎已经消失了。我看到的其他东西，比如石墨垫，它们也有一些难以克服的工程挑战。单向石墨具有很高的导热性，但实际上将其装入一个包装是一个艰巨的挑战。”

为了消除倒装芯片封装中的功率，Sadri 说：“传统上，背面金属化 SiC 功率 FET 芯片使用焊料（例如 AuSn）连接到散热器。今天，烧结银环氧树脂表现出更好的热性能，因此人们使用无压（例如 Atrox）或加压烧结环氧树脂（Argomax）。在倒装芯片方案中，散热器采用镀镍铜设计，与芯片背面接触，接口处有热界面材料 (TIM)。其他创新在芯片背面使用多条导线，然后将导线连接到 PCB 的接地平面上以改善散热。铜钨和铜钼是人们喜欢的其他类型的散热器，因为它们的 CTE 与硅相匹配，但它们很昂贵。铜仍然是最好的热界面，而且非常划算。”

另一种方法将完全消除对 TIM 的需求，这是 imec 在微流体方面工作的动机之一。“你想找到替代冷却解决方案，这样你就可以避免使用界面材料，这就是我们在液体冷却方面所做的，”Oprins 说。“我们想让它更靠近芯片，这样我们就可以消除这些材料。我会说这是底线。你要么改进材料，要么把它们扔掉。”

结论

这些挑战的结果是解决热问题越来越多地上升到预算优先事项列表中。Whitchurch 说：“客户通常会惊讶于他们必须将如此多的预算用于热能。” “但是为了让一个包简单地起作用，我们都必须注意，因为最终一个起作用的包比一个不起作用的包便宜。我们开始看到我们的许多客户开始意识到这些，并开始采用我们更先进的工程、技能和经验来生产 10 年前我从未想过的产品。” 

不过，改变需要时间。“这个行业非常保守，”奥普林斯说。”切换到他们不知道的东西需要很多说服力。您介绍的所有内容都带有很多复杂性。我理解人们不愿采用新事物，直到它被证明有效并且所有的责任问题都得到解决。尽管如此，还是有很多很棒的想法。我们知道他们仍然需要做很多工作，我们正在寻找可以提供帮助的新员工。”

审核编辑：郭婷