在半導(dǎo)體芯片、封裝和系統(tǒng)層級(jí)中，更高的密度、性能、速度和微型化都造成電子產(chǎn)品的高熱發(fā)散量和高耗電量，所以要達(dá)成系統(tǒng)級(jí)冷卻所需要的功耗實(shí)際是有限制條件的，認(rèn)為系統(tǒng)級(jí)冷卻可以解決所有問題其實(shí)是一種誤解。

　　不同于系統(tǒng)級(jí)冷卻方式，新的電子產(chǎn)品熱量管理方法可以解決何時(shí)及何處需要適當(dāng)冷卻的問題，這種方式可在芯片和模塊層級(jí)達(dá)成均勻性，因此系統(tǒng)端可以更有效率。

　　散熱銅柱凸塊（copper pillar bump，CPB）方式是將薄膜熱電材料整合到倒裝封裝的焊錫凸塊中，芯片表面可以產(chǎn)生主動(dòng)式熱量和功耗管理，制造方式可以無縫進(jìn)行并確保為業(yè)界所接受。

　　散熱凸塊可整合成標(biāo)準(zhǔn)倒裝封裝工藝的一部分（圖1），并可與電性凸塊結(jié)合，這種技術(shù)提供電子產(chǎn)品新的散熱功能，可以和晶體管、電阻和電容一起整合到電路設(shè)計(jì)之中。

圖1：散熱和電性凸塊

　　這種技術(shù)延伸了傳統(tǒng)焊錫凸塊連接的應(yīng)用，并提供倒裝芯片組件與整合的主動(dòng)式冷卻功能，其功耗生成能力使得銅柱凸塊能夠運(yùn)用在能源回收上，在此之前，焊錫凸塊只能提供機(jī)械性、電性和被動(dòng)式的散熱功能。

　　主動(dòng)式的散熱銅柱凸塊當(dāng)電流流經(jīng)60微米高的凸塊時(shí)可以達(dá)成60℃的溫差，此外，最大功耗汲取能力超過每平方厘米150瓦，而當(dāng)接觸熱時(shí)可以產(chǎn)生10毫瓦的功耗。

　　散熱銅柱凸塊結(jié)構(gòu)

　　圖二顯示TE支柱的電子顯微鏡截面圖，TE元素在結(jié)構(gòu)上相當(dāng)于銅柱凸塊堆棧加上額外的一層TE層，增加的TE層把標(biāo)準(zhǔn)的銅柱凸塊轉(zhuǎn)變成主動(dòng)式熱電銅柱凸塊。當(dāng)電性和散熱性正確的配置時(shí)，TE層可提供主動(dòng)式熱電性，將熱從凸塊的一端傳導(dǎo)至另一端。

圖2：散熱í?柱凸塊的橫截面

　　
??????? 熱傳導(dǎo)的方向由熱電材料的摻雜型態(tài)以及電流流經(jīng)此材料的方向所決定，這種熱電式傳導(dǎo)稱為珀?duì)柼?yīng)，相反的，如果熱能流經(jīng)熱電材料的一端到另一端，產(chǎn)生電流的現(xiàn)象稱為塞貝克效應(yīng)。塞貝克效應(yīng)是珀?duì)柼?yīng)的相反作用，在此模式下，電流因熱流經(jīng)TE元素而產(chǎn)生。圖二為在珀?duì)柼腿惪藘烧吣Ｊ较驴蛇\(yùn)作的結(jié)構(gòu)。

　　圖三比較典型銅柱凸塊和薄膜散熱銅柱凸塊的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)是相似的，且都擁有銅柱和焊錫連接的部份。兩者主要的差異在于兩個(gè)焊錫層之間導(dǎo)入了p型或n型熱電層。

圖3：傳統(tǒng)CPB僅次于n型或p型柱

　　圖四顯示銅柱凸塊的放大圖像，通過散熱銅柱凸塊的熱流，經(jīng)由芯片上的金屬布線設(shè)計(jì)來變更，這些布線的厚度能夠小到幾微米，做成堆棧或交叉狀，提供從底層電路的熱傳導(dǎo)路徑以收集熱量；以及將熱引入到散熱銅柱凸塊。這些將電流傳導(dǎo)至散熱銅柱凸塊的金屬布線，未必全部都直接連接到芯片的電路。但無論何者都有內(nèi)建的溫度感應(yīng)器和驅(qū)動(dòng)電路來控制??環(huán)內(nèi)的散熱銅柱凸塊，以達(dá)到最佳效能。其次，散熱銅柱凸塊汲取的熱量與過程中所產(chǎn)生額外的熱量，將退回到基底或電路板。

圖4：CPB散熱圖解，圖中可見在復(fù)雜電路中使用了多曾金屬傳導(dǎo)層

　　由于散熱銅柱凸塊的散熱效能可以靠提供退回?zé)崃康穆窂絹砀纳疲诒趁媸褂酶邆鲗?dǎo)基底像是氮化鋁或金屬（例如銅、鎢銅、鉬銅等）和介電層作為高熱量傳導(dǎo)路徑是有幫助的。高熱量傳導(dǎo)基底將被視為熱量退回的自然路徑。有時(shí)印刷線路板的基底是多層基底設(shè)計(jì)，以提供高密度的內(nèi)導(dǎo)線，在這種情形下，印刷線路板的熱傳導(dǎo)性也許相對(duì)較差，而增加熱通孔（例如金屬栓塞）則可以提供優(yōu)良的熱量退回路徑。

　　應(yīng)用

　　散熱銅柱凸塊可以用許多不同的方式冷卻芯片。

　　一般冷卻：散熱銅柱凸塊能夠分布于整個(gè)芯片表面，并能提供芯片表面均勻分散的冷卻效果。在此情況下，散熱銅柱凸塊也許與訊號(hào)、電源和接地的標(biāo)準(zhǔn)銅柱凸塊交互分布，讓散熱銅柱凸塊直接放置在芯片的主動(dòng)電路下以達(dá)到最大效能。銅柱凸塊的數(shù)量和密度決定于芯片的熱量負(fù)載，每一對(duì)P/N在給定電流下，提供特定溫差（△T）和特定熱量汲取（Q）。芯片上的溫度感應(yīng)器（內(nèi)建的感應(yīng)器）能提供散熱銅柱凸塊性能直接的量測(cè)，并回饋到TEC驅(qū)動(dòng)電路。

　　精確溫度控制：由于散熱銅柱凸塊能藉由電流方向冷卻或加熱芯片，因此可用在特定溫度范圍下操作的芯片提供精確的溫度控制，無論外界條件為何。這是許多光電零件經(jīng)常碰到的問題。

　　熱點(diǎn)冷卻：對(duì)于微處理器、圖形處理器和其它高端芯片，當(dāng)芯片上電能密度差異顯著時(shí)熱點(diǎn)就會(huì)產(chǎn)生，嚴(yán)重影響組件性能。由于散熱銅柱凸塊的體積小、并且在芯片主動(dòng)區(qū)域表面相對(duì)可以較高密度的放置，這種結(jié)構(gòu)特別適合于熱點(diǎn)冷卻。相對(duì)的，這些散熱銅柱凸塊應(yīng)集中在熱點(diǎn)的區(qū)域，而熱量密度較低的區(qū)域則只要單位面積較少數(shù)量的散熱銅柱凸塊，因此散熱銅柱凸塊的冷卻效果只需施加在需要的地方，進(jìn)而減少了驅(qū)動(dòng)冷卻所需的功耗，以及系統(tǒng)普遍的過熱現(xiàn)象。

　　結(jié)論

　　這種小尺寸、方法容易整合的新技術(shù)開啟了改善芯片速度并且保持或提升系統(tǒng)能量消耗效率的一扇大門。