封裝設(shè)計(jì)中的熱性能考量

1. 傳統(tǒng)封裝中熱性能的度量標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)際半導(dǎo)體設(shè)備與材料協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn) SEMI G38-0996 和固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì) JEDECJESD51 標(biāo)準(zhǔn)中定義的集成電路中各項(xiàng)溫度點(diǎn)位置如圖所示，其中T3是集成電路芯片處的溫度。作為衡量芯片散熱性能的指標(biāo)，T3主要由功耗和散熱能力兩方面決定，因此對(duì)集成電路封裝進(jìn)行熱優(yōu)化也可以從這兩個(gè)方面進(jìn)行：通過(guò)低功耗設(shè)計(jì)、布局優(yōu)化設(shè)計(jì)等手段來(lái)降低或均勻化熱點(diǎn)熱量；降低熱阻的角度，包括芯片內(nèi)部導(dǎo)熱優(yōu)化設(shè)計(jì)和芯片外部熱沉散熱設(shè)計(jì)兩部分。

2.散熱設(shè)計(jì)的現(xiàn)實(shí)需求日益嚴(yán)峻

在三維堆疊集成電路架構(gòu)中，有大量的低熱導(dǎo)率介質(zhì)在層間使用，同時(shí)隨著芯片特征尺寸的減小，熱點(diǎn)的尺寸不斷縮小，導(dǎo)致熱點(diǎn)擴(kuò)散熱阻的指數(shù)級(jí)增加，再加上芯片功率密度的急劇增加，使得集成電路的散熱設(shè)計(jì)更加困難。

3．從集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)及材料特性改善電路熱特性

(1）熱電結(jié)合優(yōu)化設(shè)計(jì)：集成電路的熱點(diǎn)分布由電路功耗分布決定，通過(guò)規(guī)劃集成電路的功耗分布，優(yōu)化布局，盡量使熱量在芯片空間內(nèi)均勻分布；或者采用電壓島等特殊設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)單位時(shí)間內(nèi)各電壓島內(nèi)元器件的均勻發(fā)熱。

(2） 基于TSV 的多層堆香芯片熱設(shè)計(jì)：利用三維集成電路/封裝體中常用的高導(dǎo)熱系數(shù)材料 （如銅）所構(gòu)成的再布線(xiàn)層互連線(xiàn)（熱線(xiàn)）和硅通孔（熱TSV）構(gòu)建高導(dǎo)熱通路，是目前散熱設(shè)計(jì)的重要方法。眾多相關(guān)研究工作利用熱TSV/熱線(xiàn)的高導(dǎo)熱特性，結(jié)合芯片中的電學(xué)設(shè)計(jì)和布局考量，在有限的面積下實(shí)現(xiàn)最大散熱效果，實(shí)現(xiàn)熱量在熱點(diǎn)和熱沉之間的高效傳導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)集成電路內(nèi)部的熱優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(3）芯片級(jí)別嵌人式微流道冷卻技術(shù)：在芯片內(nèi)部引人微流道冷卻技術(shù)是目前集成電路內(nèi)部散熱設(shè)計(jì)的前沿方法之一。通過(guò)在硅襯底中刻蝕形成微流道，實(shí)現(xiàn)各層熱量的層內(nèi)散逸，可大大縮短熱量從熱點(diǎn)到達(dá)熱沉的距離，降低散熱熱阻。目前，微流道冷卻技術(shù)面臨很高的設(shè)計(jì)/制備復(fù)雜度的問(wèn)題，這一問(wèn)題在疊層芯片內(nèi)部貫通的微通道網(wǎng)絡(luò)制備中尤其突出，不僅要考慮元器件的布局形式，更要保證微流道密封可靠，能夠承載散熱流體的工作壓力。另外，維集成電路封裝體的層厚較小，其內(nèi)部嵌人微流道使得封裝體的機(jī)械可靠性也面臨巨大考驗(yàn)。

4. 從集成電路外部熱沅封裝及材料特性改善電路熱阻

（1)熱界面材料：在芯片封裝過(guò)程中，通常需要熱界面材料 （ThermalInterface Material, TTM)對(duì)芯片和熱沉進(jìn)行物理途接。TIM 作為實(shí)現(xiàn)芯片熱量均勻化及傳遞到熱沉的中間材料，是封裝散熱設(shè)計(jì)需要考慮的重要因素之一。

利用 TIM 連接芯片和熱沉?xí)r，會(huì)在界面處形成界面熱阻。該界面熱阻由兩部分組成，即接觸處不同材料界面的接觸熱阻和接觸界面處間隙內(nèi)的氣體熱阻。一般來(lái)說(shuō)，界面材料導(dǎo)熱系數(shù)的減小和固體表面粗糙度的增大，都會(huì)導(dǎo)致界面熱阻增大.

一種常用的熱界面材料設(shè)計(jì)思路是，在常規(guī)界面黏結(jié)材料基體內(nèi)部加人一些高導(dǎo)熱系數(shù)填料，如 SiC、 AIN、AI?O3、Si0?,等，從而提高其導(dǎo)熱性能。隨著新材料/復(fù)合材料的不斷研發(fā)，越來(lái)越多的具有高導(dǎo)熱系數(shù)的熱界面材料被引八封裝領(lǐng)域，如導(dǎo)熱膠、相變材料 (Phase Change Material, PCM)、導(dǎo)熱彈性體等。碳納米管和石 墨烯作為近年來(lái)新興的高導(dǎo)熱系數(shù)填料，也被用于提高熱界面材料性能和封裝體散熱性能。導(dǎo)電銀膠、錫漿和共晶焊按合金 等具有較好導(dǎo)電性的材料，已廣泛應(yīng)用在有電學(xué)連按需求的場(chǎng)合中。

（2） 熱沉技術(shù)：熱沉作為一種散熱單元結(jié)構(gòu)，其溫度一般不隨傳遞到它的熱量多少而發(fā)生改變，其中貼裝熱沉是集成電路最常用的冷卻方式。常見(jiàn)的熱沉冷卻技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑有空氣冷卻、直接浸沒(méi)冷卻、液體冷卻、熱管冷卻、熱電致冷、相變冷卻、微噴冷卻等，其中空氣冷卻和波體冷卻的應(yīng)用最為普通?？諝饫鋮s技術(shù)通常采用金屬材料壓膜形成翅片狀，以增大散熱表面積，從而提高熱量散失能力。液體冷卻技術(shù)是利用流經(jīng)芯片表面的冷卻液體而將熱量帶走的為了強(qiáng)化散熱效果，可在芯片散熱表面布置擾流柱結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不僅起到翅片作用，還可增強(qiáng)流動(dòng)湍流度。

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審核編輯：湯梓紅