隨著行業(yè)轉(zhuǎn)向 3D 封裝并繼續(xù)擴(kuò)展數(shù)字邏輯，熱挑戰(zhàn)不斷增加，正在推動(dòng)研發(fā)的極限。

將太多熱量困在太小空間中的基本物理原理會(huì)導(dǎo)致實(shí)際問(wèn)題，例如消費(fèi)品太熱而無(wú)法握住。然而，更糟糕的是功率和可靠性的損失，因?yàn)檫^(guò)熱的 DRAM 必須不斷更新，并且芯片在汽車等高溫行業(yè)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(jí)機(jī)械工程師 Nathan Whitchurch 說(shuō)。“但即使你可以，你也不會(huì)因?yàn)榉庋b中的其他一些限制因素而獲得更多性能。”

熱問(wèn)題正在成為 2.5D 和 3D 封裝中的早期設(shè)計(jì)和封裝決策。ASE銷售和營(yíng)銷高級(jí)副總裁 Yin Chang 表示：“散熱考慮是我們必須考慮的關(guān)鍵問(wèn)題之一，在邏輯上是內(nèi)存，也是邏輯堆棧上的邏輯。”

隨著行業(yè)尋求解決方案，微流體和熱界面材料 (TIM) 成為關(guān)鍵的發(fā)展領(lǐng)域。前者正在取得突破。后者正在逐步改進(jìn)。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(nèi)置在芯片本身中。在 TIM 方面，燒結(jié)銀環(huán)氧樹脂正在獲得使用。

微流體（microfluidics）可能很快就會(huì)過(guò)渡到生產(chǎn)。“我敢打賭，微流體將開始出現(xiàn)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(gòu)師 Rob Aitken 說(shuō)。“如果你不采取任何冷卻措施，那么你的堆疊邏輯將僅限于單個(gè)芯片的散熱。有巨大的經(jīng)濟(jì)推動(dòng)力來(lái)解決這些問(wèn)題。鑒于此，并鑒于人們的創(chuàng)造力，我敢打賭有人會(huì)以某種聰明的方式解決它。”

在過(guò)去的 40 年里，商業(yè)微流體技術(shù)指日可待。Tuckerman 和 Pease 于 1981 年在一篇現(xiàn)已成為經(jīng)典的論文中首次描述了將液體嵌入微/納米級(jí)通道以冷卻半導(dǎo)體的想法[1]。從那時(shí)起就嘗試了各種變體，現(xiàn)在一些項(xiàng)目顯示出真正和實(shí)用的冷卻前景。

兩年前，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院 (EPFL) 的一個(gè)小組展示了一個(gè)原型，該原型使冷卻液盡可能靠近熱源。該設(shè)計(jì)是經(jīng)常討論的微流體目標(biāo)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(wèn)題而使商業(yè)市場(chǎng)變得不穩(wěn)定。

瑞士團(tuán)隊(duì)克服了挑戰(zhàn)，用他們論文的語(yǔ)言創(chuàng)造了“一種單片集成的歧管微通道冷卻結(jié)構(gòu)，[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(guò)每平方厘米 1.7 千瓦的熱通量。” [2]

這篇論文引起了投資者的興趣，他們的想法從實(shí)驗(yàn)室發(fā)展成為一家初創(chuàng)公司。它的第一作者 Remco van Erp 與他的 EPFL 教授 Elison Matioli 和首席運(yùn)營(yíng)官 Sam Harrison 共同創(chuàng)立了一家名為 Corintis 的公司[3]，該公司已獲得瑞士政府的資助，用于開發(fā)其創(chuàng)新的商業(yè)版本。

“從熱學(xué)的角度來(lái)看，Corintis 的方法是一種非常有趣的冷卻解決方案，因?yàn)槔鋮s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(gè)熱障，”Herman Oprins 說(shuō)，imec技術(shù)人員主要成員. 但他警告說(shuō)，商業(yè)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(jié)構(gòu)和電子設(shè)備之間進(jìn)行緊密的協(xié)同設(shè)計(jì)，以充分發(fā)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(zhàn)性的應(yīng)用，例如論文中所示的電源條結(jié)構(gòu)。對(duì)于功率密度在數(shù)百 W/cm2 范圍內(nèi)的 CMOS 應(yīng)用，可以使用具有數(shù)百 μm 更松弛通道直徑的單獨(dú)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(shí)現(xiàn)了 0.34K/W 至 0.28K/W 的低總熱阻。” [4]

“我們有兩種主要類型的原型，”O(jiān)prins 解釋說(shuō)。“一個(gè)是硅微通道冷卻器。那里的主要發(fā)展是與低熱阻芯片的接合。第二個(gè)是使用復(fù)雜形狀的 3D 打印冷卻幾何結(jié)構(gòu)在芯片上進(jìn)行直接液體冷卻。”

據(jù) Oprins 稱，雖然 imec 的努力尚未商業(yè)化，但公司已經(jīng)在提供類似的設(shè)計(jì)。

在描述 imec 原型的起源時(shí)，Oprins 說(shuō)：“我們利用晶圓間鍵合知識(shí)將冷卻器鍵合到芯片上，熱阻非常低，小于 1 mm² -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(dǎo)體加工的主要優(yōu)勢(shì)在于，非常細(xì)的線可以有嚴(yán)格的公差。”

Oprins 指出了幾個(gè)問(wèn)題。“為了包裝的機(jī)械完整性，您需要用加強(qiáng)環(huán)來(lái)彌補(bǔ)蓋子的缺失，”他說(shuō)。“如果通道太小，推動(dòng)冷卻劑通過(guò)的壓降就會(huì)過(guò)高。液體的體積是有限的。”然而，他指出，雖然更高的壓力是一個(gè)潛在的缺點(diǎn)，但它并不是一個(gè)阻礙。“采用緩慢的主要原因是可靠性問(wèn)題（泄漏）、維護(hù)需求和系統(tǒng)復(fù)雜性。”

圖 1. 各種冷卻方法。資料來(lái)源：IMEC

Oprins 將當(dāng)前和提議的商業(yè)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(shù)據(jù)中心當(dāng)前最先進(jìn)的技術(shù)。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(jìn)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(shè)計(jì)的熱梯度問(wèn)題。

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

除了這項(xiàng)工作，QP Technologies的高級(jí)工藝工程師 Sam Sadri最近還展示了一個(gè)內(nèi)部冷卻封裝的原型。它采用 3D 技術(shù)創(chuàng)建，由陶瓷氧化鋁制成，采用厚膜技術(shù)進(jìn)行頂部金屬化，多個(gè) SiC FET 將連接到其上。

“氧化鋁已經(jīng)是一種氧化物，而銅很容易氧化，所以這兩種氧化物結(jié)合在一起，這就是這種界面的形成方式，”Sadri 解釋道。“這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(jìn)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(shù)，但它使用重銅。雖然大多數(shù) 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″×2 ?”×?” 深。雖然它比典型的基板厚，但這種矩形結(jié)構(gòu)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(zhí)政期間見過(guò)的最酷的事情之一，”薩德里說(shuō)。“當(dāng)您將其加電至全工作周期時(shí)，模塊會(huì)散發(fā)出大量熱量。你如何擺脫熱量？您通過(guò)通道發(fā)送冷卻劑，例如冷空氣、氮冷卻劑或其他一些冷物質(zhì)。隨著它的運(yùn)行，它也在冷卻下來(lái)。”

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(lái)優(yōu)化芯片和冷卻器之間的熱傳導(dǎo)，許多其他配置也是如此。TIM 使用多種材料，包括“導(dǎo)熱油脂、間隙填充物、絕緣硬件材料、導(dǎo)熱墊和薄膜、石墨墊和薄膜、導(dǎo)熱膠帶、相變材料和導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂 [以及] 導(dǎo)熱陶瓷，例如，氧化鋁，氮化鋁和氧化鈹，”根據(jù)最近對(duì)冷卻系統(tǒng)的評(píng)論。[5]

然而，事實(shí)證明，許多 TIM 并不像其廣泛使用所暗示的那樣高效。“隨著液體冷卻性能的提高，熱界面材料成為一個(gè)重要的熱瓶頸，”O(jiān)prins 說(shuō)。“系統(tǒng)集成商對(duì)如何用性能更好的材料替代 TIM 以及可靠性風(fēng)險(xiǎn)有哪些有很多疑問(wèn)。”

挑戰(zhàn)在于發(fā)現(xiàn)一種具有非常高導(dǎo)熱性的材料，同時(shí)又非常柔韌，因此它可以遵循不同組件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

“通常，大多數(shù)具有良好導(dǎo)電性的材料也非常堅(jiān)硬，因此它們不僅不會(huì)適應(yīng)，還會(huì)增加應(yīng)力，”O(jiān)prins 解釋道。“您正在尋找一種很難找到的組合。因此，不會(huì)有任何一種材料具有這些特性。研究人員將不得不通過(guò)制造復(fù)合材料來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)。例如，不再像過(guò)去那樣只使用硅膠膏，現(xiàn)在可以在內(nèi)部添加導(dǎo)熱顆粒以提高導(dǎo)熱性能。可以有復(fù)合材料。甚至可能有碳納米管或石墨烯片。在那個(gè)特定領(lǐng)域有很多進(jìn)步。我們從硅基材料開始，最終將以金屬基熱界面材料結(jié)束，但首先要解決很多可靠性問(wèn)題。”

鑒于對(duì)新型材料的迫切需求，Amkor 的 Whitchurch 強(qiáng)調(diào)所有工程師都應(yīng)該尊重材料科學(xué)的突破對(duì)于解決熱問(wèn)題的重要性——并且該行業(yè)還有很長(zhǎng)的路要走才能找到靈活、可靠且經(jīng)濟(jì)的材料.

他說(shuō):“我們正在探索許多不同的TIMs，它們不再是基于聚合物的。”“以前很奇特的東西正在變得不那么奇特，比如燒結(jié)銀，你最終會(huì)在蓋子和模具之間得到非常堅(jiān)硬、高導(dǎo)熱率的銀合金基體。另一個(gè)例子是較軟的金屬材料，如基于銦的材料。鎵讓人害怕，因?yàn)樗鼤?huì)和鋁反應(yīng)，所以我們沒(méi)見過(guò)那么多這樣的環(huán)境。幾年前，我們經(jīng)常談?wù)撓嘧儾牧希?dāng)人們意識(shí)到可靠性和其他優(yōu)勢(shì)不存在時(shí)，相變材料似乎已經(jīng)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(zhàn)。單向石墨具有很高的導(dǎo)熱性，但實(shí)際上將其裝入一個(gè)包裝是一個(gè)艱巨的挑戰(zhàn)。”

為了消除倒裝芯片封裝中的功率，Sadri 說(shuō)：“傳統(tǒng)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(jié)銀環(huán)氧樹脂表現(xiàn)出更好的熱性能，因此人們使用無(wú)壓（例如 Atrox）或加壓燒結(jié)環(huán)氧樹脂（Argomax）。在倒裝芯片方案中，散熱器采用鍍鎳銅設(shè)計(jì)，與芯片背面接觸，接口處有熱界面材料 (TIM)。其他創(chuàng)新在芯片背面使用多條導(dǎo)線，然后將導(dǎo)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?yàn)樗鼈兊?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。”

另一種方法將完全消除對(duì) TIM 的需求，這是 imec 在微流體方面工作的動(dòng)機(jī)之一。“你想找到替代冷卻解決方案，這樣你就可以避免使用界面材料，這就是我們?cè)谝后w冷卻方面所做的，”O(jiān)prins 說(shuō)。“我們想讓它更靠近芯片，這樣我們就可以消除這些材料。我會(huì)說(shuō)這是底線。你要么改進(jìn)材料，要么把它們?nèi)拥簟！?/span>

這些挑戰(zhàn)的結(jié)果是解決熱問(wèn)題越來(lái)越多地上升到預(yù)算優(yōu)先事項(xiàng)列表中。Whitchurch 說(shuō)：“客戶通常會(huì)驚訝于他們必須將如此多的預(yù)算用于熱能。” “但是為了讓一個(gè)包簡(jiǎn)單地起作用，我們都必須注意，因?yàn)樽罱K一個(gè)起作用的包比一個(gè)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(shí)到這些，并開始采用我們更先進(jìn)的工程、技能和經(jīng)驗(yàn)來(lái)生產(chǎn) 10 年前我從未想過(guò)的產(chǎn)品。” 

不過(guò)，改變需要時(shí)間。“這個(gè)行業(yè)非常保守，”奧普林斯說(shuō)。”切換到他們不知道的東西需要很多說(shuō)服力。您介紹的所有內(nèi)容都帶有很多復(fù)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(zé)任問(wèn)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?nèi)匀恍枰龊芏喙ぷ鳎覀冋趯ふ铱梢蕴峁椭男聠T工。”