隨著行業轉向 3D 封裝并繼續擴展數字邏輯，熱挑戰不斷增加，正在推動研發的極限。

將太多熱量困在太小空間中的基本物理原理會導致實際問題，例如消費品太熱而無法握住。然而，更糟糕的是功率和可靠性的損失，因為過熱的 DRAM 必須不斷更新，并且芯片在汽車等高溫行業中變得更加緊張。

“在理想的世界中，您的芯片由銅制成，而您的基板將 100% 由銅制成，” Amkor的高級機械工程師 Nathan Whitchurch 說。“但即使你可以，你也不會因為封裝中的其他一些限制因素而獲得更多性能。”

熱問題正在成為 2.5D 和 3D 封裝中的早期設計和封裝決策。ASE銷售和營銷高級副總裁 Yin Chang 表示：“散熱考慮是我們必須考慮的關鍵問題之一，在邏輯上是內存，也是邏輯堆棧上的邏輯?！?/p>

隨著行業尋求解決方案，微流體和熱界面材料 (TIM) 成為關鍵的發展領域。前者正在取得突破。后者正在逐步改進。為了散熱，液體冷卻器可以直接連接到芯片上，或者通道可以內置在芯片本身中。在 TIM 方面，燒結銀環氧樹脂正在獲得使用。

微流體（microfluidics）可能很快就會過渡到生產?！拔腋掖蛸€，微流體將開始出現在超奇異的地方，特別是如果你開始堆疊高性能邏輯，” Synopsys的杰出架構師 Rob Aitken 說?！叭绻悴徊扇∪魏卫鋮s措施，那么你的堆疊邏輯將僅限于單個芯片的散熱。有巨大的經濟推動力來解決這些問題。鑒于此，并鑒于人們的創造力，我敢打賭有人會以某種聰明的方式解決它。”

微流體的現狀

在過去的 40 年里，商業微流體技術指日可待。Tuckerman 和 Pease 于 1981 年在一篇現已成為經典的論文中首次描述了將液體嵌入微/納米級通道以冷卻半導體的想法。從那時起就嘗試了各種變體，現在一些項目顯示出真正和實用的冷卻前景。

兩年前，瑞士洛桑聯邦理工學院 (EPFL) 的一個小組展示了一個原型，該原型使冷卻液盡可能靠近熱源。該設計是經常討論的微流體目標的工作版本——將通道直接集成到芯片中，而不是依賴于 TIM 或鍵合，后者由于可靠性問題而使商業市場變得不穩定。

瑞士團隊克服了挑戰，用他們論文的語言創造了“一種單片集成的歧管微通道冷卻結構，[其中] 僅使用每平方厘米 0.57 瓦的泵浦功率就可以提取超過每平方厘米 1.7 千瓦的熱通量?！?/p>

這篇論文引起了投資者的興趣，他們的想法從實驗室發展成為一家初創公司。它的第一作者 Remco van Erp 與他的 EPFL 教授 Elison Matioli 和首席運營官 Sam Harrison 共同創立了一家名為 Corintis 的公司，該公司已獲得瑞士政府的資助，用于開發其創新的商業版本。

“從熱學的角度來看，Corintis 的方法是一種非常有趣的冷卻解決方案，因為冷卻劑可以盡可能靠近熱源的位置，并且在這種配置中可以消除幾個熱障，”Herman Oprins 說，imec技術人員主要成員. 但他警告說，商業采用并不是必然的。“這是一種顛覆性的冷卻解決方案，需要在流體通道結構和電子設備之間進行緊密的協同設計，以充分發揮這種冷卻方法的潛力。它非常適合具有極高功率密度的具有挑戰性的應用，例如論文中所示的電源條結構。對于功率密度在數百 W/cm2 范圍內的 CMOS 應用，可以使用具有數百 μm 更松弛通道直徑的單獨冷卻塊。”

三年前，Imec 展示了自己的微流體原型。它的新聞稿將這一概念描述為“將硅微通道散熱器組裝到高性能芯片上，用于冷卻后者。[它] 在低于 2W 的泵浦功率下實現了 0.34K/W 至 0.28K/W 的低總熱阻?！?/p>

“我們有兩種主要類型的原型，”Oprins 解釋說?！耙粋€是硅微通道冷卻器。那里的主要發展是與低熱阻芯片的接合。第二個是使用復雜形狀的 3D 打印冷卻幾何結構在芯片上進行直接液體冷卻?！?/p>

據 Oprins 稱，雖然 imec 的努力尚未商業化，但公司已經在提供類似的設計。

在描述 imec 原型的起源時，Oprins 說：“我們利用晶圓間鍵合知識將冷卻器鍵合到芯片上，熱阻非常低，小于 1 mm 2 -K/W。因此，我們可以不使用熱界面材料，而是使用熔合、氧化物鍵合或金屬鍵合。半導體加工的主要優勢在于，非常細的線可以有嚴格的公差?！?/p>

Oprins 指出了幾個問題?！盀榱税b的機械完整性，您需要用加強環來彌補蓋子的缺失，”他說?！叭绻ǖ捞?，推動冷卻劑通過的壓降就會過高。液體的體積是有限的?！比欢?，他指出，雖然更高的壓力是一個潛在的缺點，但它并不是一個阻礙?！安捎镁徛闹饕蚴强煽啃詥栴}（泄漏）、維護需求和系統復雜性?！?/p>

圖 1. 各種冷卻方法。資料來源：IMEC

Oprins 將當前和提議的商業液體冷卻方法分為四種不同的類型：

螺栓固定式冷卻器。這是數據中心當前最先進的技術。冷卻板位于蓋子頂部而不是散熱器。TIM 在上方和下方使用。

直接連接冷卻器。一些地方開始采用這種配置。冷卻器直接粘合到芯片上，只有一層熱界面材料。Imec 的原型使用此布局，并進行了修改。

背面冷卻。僅在研究中提出，這種布局允許冷卻劑更靠近熱源。它不使用鍵合，而是使用與芯片直接接觸的介電液體。由于液體和芯片之間存在垂直連接，因此避免了橫向設計的熱梯度問題。

片內冷卻。這就是 Corintis 試圖商業化的想法。冷卻劑包含在嵌入芯片的通道內。雖然它可以提供最佳的冷卻效果，但一個潛在的挑戰是可能沒有足夠的空間用于較低間距的通道。

除了這項工作，QP Technologies的高級工藝工程師 Sam Sadri最近還展示了一個內部冷卻封裝的原型。它采用 3D 技術創建，由陶瓷氧化鋁制成，采用厚膜技術進行頂部金屬化，多個 SiC FET 將連接到其上。

“氧化鋁已經是一種氧化物，而銅很容易氧化，所以這兩種氧化物結合在一起，這就是這種界面的形成方式，”Sadri 解釋道?！斑@是迄今為止用陶瓷制造功率模塊最便宜的方法。有一些方法可以進一步降低成本。隔離金屬基板 (IMS) 基本上類似于任何 PCB 制造技術，但它使用重銅。雖然大多數 PCB 銅含有 0.25 至 0.5 盎司的銅，但接近 3 或 4 盎司。這是我所看到的比具有相同占地面積的氧化鋁更具成本效益的東西。”

原型的尺寸約為 4″ x 2 ?” x ?” 深。雖然它比典型的基板厚，但這種矩形結構的特殊之處在于它具有貫穿始終的通道，其較短的邊上有出口孔。“這是我在執政期間見過的最酷的事情之一，”薩德里說?！爱斈鷮⑵浼与娭寥ぷ髦芷跁r，模塊會散發出大量熱量。你如何擺脫熱量？您通過通道發送冷卻劑，例如冷空氣、氮冷卻劑或其他一些冷物質。隨著它的運行，它也在冷卻下來?！?/p>

改進 TIM

如上圖所示，螺栓固定式冷卻器和直接接合的冷卻器都使用 TIM 來優化芯片和冷卻器之間的熱傳導，許多其他配置也是如此。TIM 使用多種材料，包括“導熱油脂、間隙填充物、絕緣硬件材料、導熱墊和薄膜、石墨墊和薄膜、導熱膠帶、相變材料和導熱環氧樹脂 [以及] 導熱陶瓷，例如，氧化鋁，氮化鋁和氧化鈹，”根據最近對冷卻系統的評論。

然而，事實證明，許多 TIM 并不像其廣泛使用所暗示的那樣高效?！半S著液體冷卻性能的提高，熱界面材料成為一個重要的熱瓶頸，”Oprins 說?！跋到y集成商對如何用性能更好的材料替代 TIM 以及可靠性風險有哪些有很多疑問?！?/p>

挑戰在于發現一種具有非常高導熱性的材料，同時又非常柔韌，因此它可以遵循不同組件的拓撲結構。

“通常，大多數具有良好導電性的材料也非常堅硬，因此它們不僅不會適應，還會增加應力，”Oprins 解釋道。“您正在尋找一種很難找到的組合。因此，不會有任何一種材料具有這些特性。研究人員將不得不通過制造復合材料來設計一個。例如，不再像過去那樣只使用硅膠膏，現在可以在內部添加導熱顆粒以提高導熱性能?？梢杂袕秃喜牧?。甚至可能有碳納米管或石墨烯片。在那個特定領域有很多進步。我們從硅基材料開始，最終將以金屬基熱界面材料結束，但首先要解決很多可靠性問題?！?/p>

鑒于對新型材料的迫切需求，Amkor 的 Whitchurch 強調所有工程師都應該尊重材料科學的突破對于解決熱問題的重要性——并且該行業還有很長的路要走才能找到靈活、可靠且經濟的材料.

他說:“我們正在探索許多不同的TIMs，它們不再是基于聚合物的?！薄耙郧昂芷嫣氐臇|西正在變得不那么奇特，比如燒結銀，你最終會在蓋子和模具之間得到非常堅硬、高導熱率的銀合金基體。另一個例子是較軟的金屬材料，如基于銦的材料。鎵讓人害怕，因為它會和鋁反應，所以我們沒見過那么多這樣的環境。幾年前，我們經常談論相變材料，但當人們意識到可靠性和其他優勢不存在時，相變材料似乎已經消失了。我看到的其他東西，比如石墨墊，它們也有一些難以克服的工程挑戰。單向石墨具有很高的導熱性，但實際上將其裝入一個包裝是一個艱巨的挑戰?！?/p>

為了消除倒裝芯片封裝中的功率，Sadri 說：“傳統上，背面金屬化 SiC 功率 FET 芯片使用焊料（例如 AuSn）連接到散熱器。今天，燒結銀環氧樹脂表現出更好的熱性能，因此人們使用無壓（例如 Atrox）或加壓燒結環氧樹脂（Argomax）。在倒裝芯片方案中，散熱器采用鍍鎳銅設計，與芯片背面接觸，接口處有熱界面材料 (TIM)。其他創新在芯片背面使用多條導線，然后將導線連接到 PCB 的接地平面上以改善散熱。銅鎢和銅鉬是人們喜歡的其他類型的散熱器，因為它們的 CTE 與硅相匹配，但它們很昂貴。銅仍然是最好的熱界面，而且非常劃算?！?/p>

另一種方法將完全消除對 TIM 的需求，這是 imec 在微流體方面工作的動機之一?！澳阆胝业教娲鋮s解決方案，這樣你就可以避免使用界面材料，這就是我們在液體冷卻方面所做的，”Oprins 說?！拔覀兿胱屗拷酒@樣我們就可以消除這些材料。我會說這是底線。你要么改進材料，要么把它們扔掉?！?/p>

結論

這些挑戰的結果是解決熱問題越來越多地上升到預算優先事項列表中。Whitchurch 說：“客戶通常會驚訝于他們必須將如此多的預算用于熱能。”“但是為了讓一個包簡單地起作用，我們都必須注意，因為最終一個起作用的包比一個不起作用的包便宜。我們開始看到我們的許多客戶開始意識到這些，并開始采用我們更先進的工程、技能和經驗來生產 10 年前我從未想過的產品?！?/p>

不過，改變需要時間?！斑@個行業非常保守，”奧普林斯說。”切換到他們不知道的東西需要很多說服力。您介紹的所有內容都帶有很多復雜性。我理解人們不愿采用新事物，直到它被證明有效并且所有的責任問題都得到解決。盡管如此，還是有很多很棒的想法。我們知道他們仍然需要做很多工作，我們正在尋找可以提供幫助的新員工。”

審核編輯：郭婷