隨著半導(dǎo)體行業(yè)達(dá)到較低的工藝節(jié)點(diǎn)，硅設(shè)計(jì)人員很難讓摩爾定律產(chǎn)生前幾代取得的成果。在單片系統(tǒng)芯片 (SoC) 設(shè)計(jì)中增加管芯尺寸在經(jīng)濟(jì)上不再可行。將單片 SoC 分解為專(zhuān)用芯片（稱(chēng)為小芯片）在成本、良率和性能方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。小芯片為制造商提供了優(yōu)勢(shì)，即能夠僅縮小特定組件的工藝節(jié)點(diǎn)，同時(shí)將其他組件保持在更經(jīng)濟(jì)的尺寸。此外，一些與功率相關(guān)的因素也發(fā)揮了作用。異構(gòu)集成提供了一條替代路徑來(lái)與摩爾定律保持同步，而不是依賴(lài)于傳統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)縮小技術(shù)。與傳統(tǒng)的單體結(jié)構(gòu)相比，熱管理，因?yàn)樗鼈冊(cè)黾恿斯β拭芏取⑽锢沓叽绾蛶缀涡螤睢?/p>

異構(gòu)集成允許將不同流程節(jié)點(diǎn)和功能的組件封裝到單個(gè)模塊中。有多種方法，包括但不限于多芯片模塊 (MCM)、系統(tǒng)級(jí)封裝 (?SiP?)、2.5D 硅通孔 (?TSV?) 硅中介層和高密度扇出 (?HDFO)）。其中一些技術(shù)已經(jīng)存在了很長(zhǎng)一段時(shí)間，但直到最近才開(kāi)始流行將大型單片 SoC 裸片分解成更小的子組件或小芯片，這些子組件或小芯片被封裝到單個(gè)模塊中。這種類(lèi)型的異構(gòu)封裝使公司能夠與摩爾定律的規(guī)模和經(jīng)濟(jì)保持同步。異構(gòu)封裝的好處很多。首先，設(shè)計(jì)人員不再受限于單節(jié)點(diǎn)技術(shù)。單個(gè)功能可以使用舊節(jié)點(diǎn)大小，而遷移到最新節(jié)點(diǎn)沒(méi)有經(jīng)濟(jì)意義。其次，較小的芯片尺寸允許每個(gè)晶圓有更多的芯片，因此周邊的浪費(fèi)更少。良率也有所提高，因?yàn)槭〉淖咏M件不需要拒絕整個(gè) SoC。雖然有很多應(yīng)用異構(gòu)封裝，這篇博文將特別關(guān)注高性能計(jì)算（HPC）。

互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 器件以三種主要方式散熱：動(dòng)態(tài)功率、短路耗散和泄漏。當(dāng)電容器吸收能量進(jìn)行充電時(shí)，由于電路內(nèi)的開(kāi)關(guān)活動(dòng)而發(fā)生動(dòng)態(tài)功耗。從歷史上看，這種方法是 CMOS 器件中功耗最高的來(lái)源，但最近在較低節(jié)點(diǎn)上，漏電流發(fā)揮了更重要的作用。對(duì)于 65nm 及以下的高科技節(jié)點(diǎn)，泄漏功率已增長(zhǎng)到占設(shè)備總功耗的 50%。

功耗被認(rèn)為是芯片設(shè)計(jì)中最大的限制因素.?盡管可以將越來(lái)越多的內(nèi)核壓縮到單個(gè)硅片中，但由于熱限制，同時(shí)以全性能運(yùn)行所有這些內(nèi)核是不可行的。相反，必須限制或停用內(nèi)核以減輕過(guò)熱。無(wú)法使用硅的現(xiàn)象，通常被稱(chēng)為“暗硅”，由于熱問(wèn)題，硅區(qū)域必須停用，限制了整體設(shè)備的性能和效率，因?yàn)樵O(shè)備無(wú)法充分發(fā)揮其潛力。功耗不是一個(gè)正在消失的問(wèn)題。隨著硅中每次計(jì)算的功率效率不斷提高，整體封裝功率密度也在增加。增加封裝功率密度需要仔細(xì)設(shè)計(jì)和材料考慮以?xún)?yōu)化熱性能。

功率密度趨勢(shì)

在超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心和人工智能 (AI) 計(jì)算興起之前，每個(gè)機(jī)架 3-5 kW 的功率密度被認(rèn)為是常態(tài)。在這個(gè)級(jí)別，機(jī)架中的芯片可以使用風(fēng)冷散熱器進(jìn)行冷卻。風(fēng)冷散熱器會(huì)將空氣釋放到數(shù)據(jù)中心通道中，最終通過(guò)冷卻器或制冷裝置將熱量提取出來(lái)。如今，人工智能和其他新的 HPC 應(yīng)用需要更多的每個(gè)芯片的功率，有些甚至超過(guò) 500 W。在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架尺寸的情況下，通過(guò)移動(dòng)空氣冷卻機(jī)架不再有效，甚至不可行。事實(shí)上，數(shù)據(jù)中心機(jī)架功率密度預(yù)計(jì)將繼續(xù)上升，并有望在不久的將來(lái)達(dá)到每機(jī)架 15 至 30 kW。這種功率密度水平需要其他形式的冷卻。

今天正在開(kāi)發(fā)許多先進(jìn)的冷卻解決方案。理想的冷卻解決方案可以使用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)實(shí)施，并且不會(huì)從根本上改變數(shù)據(jù)中心環(huán)境。熱管和均熱板在閉環(huán)中使用相變熱傳遞，以實(shí)現(xiàn)顯著高于銅或鋁的有效熱導(dǎo)率。這些技術(shù)今天已經(jīng)廣泛使用，但仍然面臨著相同的挑戰(zhàn)，即它們被實(shí)施到必須通過(guò)流動(dòng)空氣冷卻的散熱器中。冷卻的下一個(gè)進(jìn)展是液體冷卻。這可以通過(guò)兩種形式實(shí)現(xiàn)；通過(guò)使用冷板間接冷卻或通過(guò)浸入直接冷卻；后者是一種更具異國(guó)情調(diào)的形式。

在浸沒(méi)式冷卻系統(tǒng)中，設(shè)備與介電冷卻劑直接接觸。根據(jù)冷卻劑和配置，浸入式系統(tǒng)可以使用單相或兩相液體運(yùn)行。兩相浸沒(méi)式冷卻在冷卻液浴中的每個(gè)設(shè)備上都具有恒溫的優(yōu)勢(shì)，但與單相系統(tǒng)相比，這些類(lèi)型的系統(tǒng)實(shí)施起來(lái)更具挑戰(zhàn)性。浸沒(méi)式冷卻需要一個(gè)截然不同的數(shù)據(jù)中心環(huán)境，因?yàn)閹缀跽麄€(gè)機(jī)架都必須密封以容納冷卻液。由于這與今天的習(xí)慣截然不同，因此需要克服重大障礙才能使浸入式冷卻在經(jīng)濟(jì)上可行。無(wú)論如何，人們對(duì)直接和間接液體冷卻仍然很感興趣。開(kāi)放計(jì)算項(xiàng)目 (OPC) 有兩個(gè)項(xiàng)目專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)浸沒(méi)和冷板冷卻的標(biāo)準(zhǔn)化解決方案。當(dāng)今廣泛使用的主流風(fēng)冷解決方案將無(wú)法支持 HPC 和 AI 的未來(lái)需求。

異質(zhì)封裝的熱挑戰(zhàn)

從熱傳導(dǎo)的角度來(lái)看，大多數(shù)異質(zhì)封裝形式之間幾乎沒(méi)有區(qū)別。在高功率封裝中，將芯片或組件堆疊在高功率芯片上的情況并不常見(jiàn)，因此本次討論將僅考慮 2.5D 或 MCM 風(fēng)格的設(shè)計(jì)。幾乎所有這些配置都涉及通過(guò)封裝頂部的相同基本熱流路徑。從結(jié)開(kāi)始，熱量通過(guò)硅和熱界面材料 (TIM) 傳導(dǎo)，然后進(jìn)入散熱器，然后消散到系統(tǒng)冷卻解決方案中。然而，用于異構(gòu)集成的許多封裝選項(xiàng)都有自己獨(dú)特的工藝和物理特性，由于封裝的翹曲及其對(duì)熱界面材料的影響，它們會(huì)間接影響熱性能。

 

散熱器

對(duì)于大多數(shù)半導(dǎo)體封裝, 散熱器提供熱性能以及保護(hù)硅和翹曲控制的優(yōu)勢(shì)。但是，在某些情況下，與散熱器蓋相比，直接將硅暴露于系統(tǒng)冷卻解決方案可提供更好的熱性能。當(dāng)封裝與電阻非常低的 TIM II（封裝和系統(tǒng)散熱器之間的熱界面材料）和高性能散熱器（例如直接液體冷卻）連接時(shí)，蓋子內(nèi)的實(shí)際熱量傳播非常小。在這種情況下，熱量主要從硅直接向上傳導(dǎo)，因此沿著該熱流路徑去除散熱器和 TIM I 的熱阻可能是有益的。然而，裸露的硅并非沒(méi)有自己的挑戰(zhàn)，

考慮到具有高電阻 TIM II 和較低性能散熱器的替代方案，例如簡(jiǎn)單的風(fēng)冷鋁散熱器，散熱器通常會(huì)提供熱優(yōu)勢(shì)，因?yàn)闊崃吭陔x開(kāi)封裝之前會(huì)擴(kuò)散到更大的區(qū)域。系統(tǒng)冷卻解決方案的熱阻越高，封裝內(nèi)的熱量傳播越多。由于熱阻是面積的函數(shù)，因此更大面積的熱傳遞到 TIM II 和散熱器會(huì)有效地“降低”它們的電阻。對(duì)于異質(zhì)封裝，封裝的總面積通常存在高功率密度差異。因此，這對(duì)應(yīng)于使用散熱器的更多潛在優(yōu)勢(shì)。此外，整個(gè)封裝的溫度梯度越大，

異構(gòu)封裝還涉及到組件的單個(gè)小芯片高度不同的挑戰(zhàn)，這可能是由于制造可變性或僅僅是不同類(lèi)型的組件（例如小芯片與高帶寬內(nèi)存 (HBM) 模塊）。使用集成的散熱器，它們可以被制造成通過(guò)不同的腔深度來(lái)補(bǔ)償不同的高度。在考慮堆疊芯片的容差累積時(shí)，最關(guān)鍵的是在最高功率芯片上保持最小的 TIM 粘合線(xiàn)。因此，散熱器腔在其設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮到這一點(diǎn)。

 

熱界面材料

對(duì)于大多數(shù)高性能計(jì)算情況，超過(guò) 95% 的設(shè)備總功率通過(guò)封裝頂部消散到系統(tǒng)級(jí)冷卻解決方案中。在一個(gè)封裝（不包括 3D）中，沿著這條路徑的唯一組件是硅、熱界面材料和銅（散熱器材料），除了裸露芯片封裝，它只有硅。由于硅是所需的半導(dǎo)體，而銅已經(jīng)是最好的導(dǎo)熱材料之一，因此在材料選擇方面唯一的變量是熱界面材料。盡管熱界面材料的厚度至少比硅和散熱器的厚度小一個(gè)數(shù)量級(jí)，但它通常會(huì)貢獻(xiàn)超過(guò) 50% 的沿該路徑的熱阻。

TIM I 的選擇對(duì)于大功率封裝至關(guān)重要。該材料不僅需要低熱阻，還需要能夠承受封裝在組裝過(guò)程中所經(jīng)歷的條件及其使用壽命。當(dāng)器件在回流或操作期間加熱或冷卻時(shí)，由于封裝內(nèi)銅、硅和有機(jī)物的熱膨脹系數(shù) (CTE) 不匹配，TIM 將承受相當(dāng)大的應(yīng)力。在這些應(yīng)力循環(huán)期間能夠保持粘附和內(nèi)聚力與其體熱導(dǎo)率同樣重要。獲得這些特性的平衡具有挑戰(zhàn)性，目前最常見(jiàn)的是僅在光譜的相反兩端找到材料。凝膠和油脂型 TIM 由載有導(dǎo)電顆粒的聚合物基體組成，如鋁或銀。這些材料具有較低的彈性模量，但與金屬相比，它們的導(dǎo)熱率仍然較低。金屬焊料 TIM（例如銦）以極高的模量為代價(jià)提供非常高的熱導(dǎo)率，這對(duì) TIM 的可加工性和可靠性提出了挑戰(zhàn)。

異構(gòu)封裝為 TIM 提供了獨(dú)特的環(huán)境。TIM 不僅可以連接多個(gè)組件，還可以根據(jù)封裝連接多種材料類(lèi)型。此外，與大型單片芯片相比，TIM 承受的應(yīng)力可能不同。關(guān)于 TIM 的異構(gòu)封裝的一個(gè)好處是可以在不同的組件上使用不同的 TIM。例如，中央處理器 (CPU) 芯片可以具有高性能 TIM，而低功率 HBM 模塊可以使用粘性 TIM 來(lái)減少封裝的翹曲。 TIM 電阻是其界面處的厚度、體熱導(dǎo)率和接觸電阻的函數(shù)。從本質(zhì)上講，異質(zhì)封裝通常非常大，因此這相當(dāng)于大的 TIM 表面積。與 TIM 的總接觸表面積相比，它的厚度要小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這意味著材料的體電導(dǎo)率在 TIM 的總熱阻中的作用相對(duì)較小。因此，雖然先進(jìn)的金屬焊接 TIM 相對(duì)于聚合物基材料具有極高的熱導(dǎo)率，但在異質(zhì)封裝類(lèi)型的大表面積上，熱效益只是增加的。此外，由于如此大的封裝的翹曲，這些高模量金屬 TIM 會(huì)受到很大的應(yīng)力。

組件和小芯片組織

熱管理的第一道防線(xiàn)是硅本身。硅具有相對(duì)較高的導(dǎo)熱性，在緩解熱點(diǎn)方面表現(xiàn)出色。由于異構(gòu)封裝將功能分解為單個(gè)組件，因此失去了大片硅的散熱優(yōu)勢(shì)。然而，這實(shí)際上有利于熱性能，因?yàn)榘l(fā)熱組件分散開(kāi)來(lái)，從而減少了它們的熱串?dāng)_。

熱感知組件或小芯片放置為封裝的熱優(yōu)化提供了重要機(jī)會(huì)。芯片和封裝設(shè)計(jì)人員應(yīng)仔細(xì)考慮組件放置的電氣和熱平衡，尤其是在涉及高功率時(shí)。在可能的情況下，應(yīng)將高功率組件分散開(kāi)，以便在整個(gè)封裝區(qū)域更均勻地分配功率。然而，封裝的邊緣和角落在散熱方面存在限制，因此高功率密度不應(yīng)太靠近周邊。

 

系統(tǒng)集成

在不限制標(biāo)線(xiàn)尺寸的情況下，異質(zhì)封裝在面積方面可以包括更多的硅。因此，他們的整體體型也趨于增長(zhǎng)。如今，超過(guò) 70 mm x 70 mm 的 MCM 封裝并不少見(jiàn)。在與 TIM II 和散熱器相關(guān)的系統(tǒng)級(jí)集成時(shí)，這種相對(duì)較大的封裝尺寸帶來(lái)了挑戰(zhàn)。為了保持 TIM II 界面的足夠熱阻，需要施加壓力。對(duì)于大型 MCM 的表面積，需要相當(dāng)大的力來(lái)滿(mǎn)足這一壓力要求。這不僅會(huì)在封裝上產(chǎn)生壓力，還會(huì)在系統(tǒng)主板上產(chǎn)生壓力。高強(qiáng)度可能需要額外加強(qiáng)主板和/或散熱器安裝硬件，從而推高成本。如果無(wú)法對(duì) TIM II 施加足夠的壓力，該設(shè)備將遭受熱性能下降的影響。這個(gè)問(wèn)題展示了在大型異構(gòu)封裝中實(shí)施散熱器的另一個(gè)好處：散熱器和 TIM II 應(yīng)用的可變性可以通過(guò)散熱器進(jìn)行補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)更一致的熱性能。

 

封裝級(jí)熱性能增強(qiáng)的影響

正如前面部分所討論的，隨著系統(tǒng)級(jí)冷卻解決方案的進(jìn)步，封裝對(duì)總系統(tǒng)熱阻的貢獻(xiàn)越來(lái)越大。有許多選擇可以利用熱增強(qiáng)封裝。在最基本的層面上，封裝熱阻的改進(jìn)會(huì)相應(yīng)地降低器件的結(jié)溫。半導(dǎo)體器件的一個(gè)普遍參考的經(jīng)驗(yàn)法則是，結(jié)溫每升高 10°C，工作壽命就會(huì)減少一半。因此，通過(guò)封裝級(jí)熱增強(qiáng)來(lái)降低結(jié)溫，可以顯著提高器件的理論工作壽命。

或者，熱增強(qiáng)封裝可以在更高的功率下運(yùn)行，因?yàn)橄到y(tǒng)級(jí)冷卻解決方案可以支持額外的熱負(fù)載，同時(shí)保持相同的結(jié)溫。由于結(jié)溫通常會(huì)限制芯片性能，因此這是利用具有改進(jìn)熱阻的封裝的明確選擇。

增加了一些功能以增強(qiáng)其熱性能的封裝仍然會(huì)散發(fā)與原始設(shè)計(jì)相同的熱量，但結(jié)點(diǎn)和環(huán)境之間的溫差會(huì)減小。在系統(tǒng)層面，降低封裝的熱阻有很多好處?？梢栽黾迎h(huán)境或冷卻溶液的環(huán)境溫度，而不是降低結(jié)溫，同時(shí)仍保持相同的原始結(jié)溫。就風(fēng)冷數(shù)據(jù)中心而言，這可以節(jié)省大量成本。

俱進(jìn)集團(tuán)，成立于2015年，公司以線(xiàn)路板樣板制造為入口，具備高端樣板和中小批量的快速交付能力。通過(guò)pcb制板、bom表采購(gòu)以及線(xiàn)路板貼裝等全價(jià)值鏈服務(wù)，為客戶(hù)的產(chǎn)品提供垂直整合的一站式解決方案。我們持續(xù)助力于中國(guó)電子科技持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展，為打造一流的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造外包服務(wù)提供商。追求全體員工物質(zhì)與精神兩方面的幸福，為人類(lèi)和社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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