半導體集成度的持續提升意味著需要在更小空間內完成更多工作，這反過來會產生更多需要散逸的熱量。在先進制程芯片和多芯片組件中，散熱管理對其功能穩定性和使用壽命至關重要。盡管業界已將大量精力投入到提升電源效率（以降低功耗增長速率），但僅靠這一點遠遠不夠。我們還需要多種技術來推動熱量向上、向下及向外傳導。值得慶幸的是，多個領域已取得顯著進展。
01 更多運算帶來更多熱量
電路執行運算所需的能量來自電源引腳，但并非所有能量都會轉化為有效運算功 —— 部分能量會以熱量形式損耗，這些熱量必須從源頭移除并釋放到環境中。對于成功的芯片設計，散熱速率必須與能量消耗速率達成平衡。但除了功耗之外，芯片內熱量產生的區域面積也需納入考量：面積越小，功率密度越高，對冷卻策略的要求就越嚴苛。Promex 首席運營官 Dave Fromm 表示：“關鍵在于嘗試從幾平方厘米的區域中散除瓦特級熱量，單位面積的功率密度已達到驚人的程度?！?/span>
硅芯片的最大尺寸受限于光刻掩模版（26×33 毫米），但封裝尺寸并無此類上限。不過封裝尺寸無法任意設計，部分原因在于業界尚未大規模需求此類大尺寸封裝，生產線也未為此做好設備適配。盡管如此，更大的封裝尺寸可進一步分散熱量，降低功率密度。
Kelly 觀察到：“我們并非將所有芯片內容塞進固定尺寸的封裝中，封裝尺寸在逐步增大，這使得功率密度可能保持穩定或緩慢增長。這與硅芯片不同，后者受限于掩模版尺寸?！?/span>
然而，更大的封裝可能更易發生翹曲。Amkor 芯片粒 / FCBGA 開發高級總監 YoungDo Kweon 表示：“目前常見的封裝尺寸為 60×60 平方毫米，Amkor 已量產 85×85 平方毫米的封裝。未來幾年，我們將推出超過 100×100 平方毫米的封裝，這意味著熱應力可能顯著增加?！辈牧系臒釋室?W/Km衡量，熱傳導路徑越短，熱導率越高。因此，路徑中的材料越薄越好。
02 熱量在封裝中的傳導路徑
熱量主要在有源硅層中產生。在倒裝芯片封裝中，熱量可向上傳導 —— 通過體硅至芯片背面并散出封裝；也可向下通過各類金屬連接端傳導至印刷電路板（PCB），某些情況下還可能橫向傳導，具體取決于應用場景。
Kelly 表示：“以筆記本電腦為例，其散熱路徑包括芯片背面和主板另一側；但對于數據中心和高性能設備，通過電路板向下的熱傳導路徑電阻極高，因此 95% 以上的熱量會從頂部散出。”
多年來，帶內置風扇的散熱片一直是高功率封裝的標準配置。散熱片由銅或鋁制成，金屬材料的選擇取決于散熱片后的熱傳導路徑。
鋁從封裝吸收熱量時溫度上升更快，這種顯著的溫度變化使熱交換效率更高。Fromm 指出：“對于相同尺寸的散熱片，改變銅的溫度比改變鋁的溫度更困難?！?/span>
若散熱片與空氣進行熱交換，空氣必須保持流動 —— 因為空氣是極差的熱導體。若散熱片通過螺栓連接至其他導熱固體，則銅可能更為適用。銅的比熱容更高，意味著其可存儲更多熱量而溫度上升幅度小于鋁。因此，銅與空氣的熱交換效率較低，但當連接至其他固體時，能高效將熱量傳導至后續散熱裝置。
若計算任務呈突發性（伴隨長時間空閑期），銅搭配風扇也能發揮作用，因其有更多時間與空氣進行熱交換。Fromm 表示：“若工作模式為短時間高強度脈沖 + 長時間停機，銅在長期溫度緩沖方面表現更優，而鋁會瞬間升溫?！?/span>
03 熱點難題
芯片熱點帶來另一重挑戰。相較于為整個封裝配備足以同時處理所有熱點的散熱能力，熱擴散器可在封裝內平衡熱量分布。傳統金屬擴散器位于封裝內部，可為獨立金屬塊或與芯片形成熱連接的金屬外殼。
Kelly 表示：“實現高效熱擴散的最佳方式是沿垂直方向高效散熱。若散熱效率足夠高，熱點將無法持續升溫并擴散熱量?！?/span>
連接擴散器及其他元件的技術是當前研發重點，這類材料被稱為熱界面材料（TIMs），其作用是確保兩表面間形成保形層。Fromm 解釋道：“理想情況下，TIM 應像膠水一樣固定位置，但若無需支撐元件，也可使用油脂。關鍵在于消除空氣間隙 —— 理想的 TIM 材料需兼具固定性和應力保形性?！?/span>
典型封裝可能包含兩種 TIM，有時稱為 TIM I和 TIM II。Kweon 表示：“封裝內部存在兩個界面：一個是散熱片與熱擴散器之間的界面，另一個是芯片背面與熱擴散器之間的界面。”
圖 1：熱界面材料的兩種典型應用。TIM I 位于芯片與熱擴散器之間，TIM II 位于熱擴散器（此例中為封裝外殼）與散熱片之間，箭頭指示散熱方向。來源：Amkor
04 金屬 TIM 的崛起
傳統 TIM 主要由聚合物制成，但由于聚合物導熱性差，常需摻雜導電添加劑。Fromm 表示：“人們會向聚合物中摻入碳、石墨或各類高導電性金屬，金剛石是另一種開始被使用的填充材料，其熱活性可能比銅高 5 至 10 倍?！?/span>
即便如此，TIM 的導熱性仍相對較差，因此保持薄層可縮短熱傳導路徑。對于散熱需求約 100 瓦的封裝，傳統 TIM 已足夠有效，但新型芯片和先進封裝的散熱需求預計達 1000 瓦級別，這對現有材料提出了嚴峻挑戰。
金屬 TIM（尤其是銦合金）如今已具備更高熱導率。Amkor 發現，改用銦合金可使芯片結溫降低超過 10°C。Kweon 指出：“使用聚合物 TIM 時，溫度每升高 10°C，芯片壽命通常減半。如今許多客戶要求功率超過 400 瓦的芯片使用金屬 TIM。”
TIM 受熱時的膨脹速率與附著材料不同，因此粘合劑可能比油脂承受更多熱應力。這可能成為 Kweon 預計未來幾年推出的更大封裝面臨的問題。他表示：“這意味著若使用聚合物 TIM，芯片邊緣的拉伸應力可能導致分層，使其無法正常工作?！?/span>
圖 2：采用金屬 TIM 的模塑 FCBGA。來源：Amkor
05 系統級散熱組件
空氣流動的冷卻能力有限，因此對于高要求的組件，液體正以多種形式應用于散熱。用液體包圍封裝或子系統（沉浸式冷卻）可實現比空氣更高效的散熱。
Kelly 表示：“當功率達到 800 至 1200 瓦（取決于封裝結構），風冷系統將無法滿足需求，必須轉向某種液體冷卻方式，使低溫液體與芯片直接接觸?！?/span>
這需要閉環系統 —— 液體從發熱組件循環至換熱器，冷卻后返回。這也會增大芯片與冷卻溶液間的溫度梯度。Kelly 指出：“這會導致各處應力升高，但好在 IC 封裝材料較 10 年前已大幅改進。”
傳統液體冷卻僅依賴液態介質，而更先進的技術則利用液 - 氣兩相。Synopsys 高級工程師 Satya Karimajji 表示：“最先進的冷卻方法是兩相沸騰流?！?/span>
沉浸式冷卻將液體冷卻推向新高度 —— 將整個系統浸入流動液體中，其散熱效率遠超其他技術。然而，由于系統必須密封以容納液體，其結構復雜且成本高昂。當前研究重點是尋找最高效的液體介質。Karimajji 表示：“研究人員正在探索可使用的各類介電流體和制冷劑?！?/span>
06 空間受限場景的散熱方案
液/氣冷卻技術還體現在兩種不同方案中。蒸汽腔雖非新技術，但作為散熱手段正愈發流行。Kweon 表示：“如今許多客戶正轉向在封裝頂部配備冷板的蒸汽腔方案?！?/span>
蒸汽腔以密封腔體取代金屬塊，腔內含蒸汽，一側接觸芯片，另一側接觸冷卻板。這類兩相系統中，熱源作為蒸發器，冷端作為冷凝器，內部通常包含某種吸液芯材料，用于將冷凝液送回蒸發器。
Karimajji 表示：“假設熱量集中在小區域，而我們希望將熱量擴散至更大區域，[蒸汽腔] 可增強散熱片基座的溫度均勻性?！?/span>
在筆記本電腦和手機等缺乏散熱片空間的系統中，熱管可將熱量從熱源傳導至更遠位置。冷凝液通過毛細作用流向蒸發器，推動蒸汽從另一側流動，系統依靠產生的熱量驅動。
Karimajji 舉例：“若筆記本電腦的 CPU 附近無足夠空間安裝風扇，可通過熱管將 CPU 頂部的熱量傳導至筆記本邊緣，再在邊緣安裝風扇。優勢在于無需泵體。”
盡管冷卻能力適中，熱管的最大優勢在于尺寸。Karimajji 指出：“僅靠熱管可能不足以冷卻 GPU?！?這類結構中使用的液體通常為去離子水，但根據工作溫度也可使用制冷劑。
07 封裝蓋的取舍
封裝蓋可為內部組件提供保護和機械穩定性，但暴露芯片背面則為不同冷卻技術創造了可能。
Kelly 表示：“封裝蓋有助于散熱，從而提升整體散熱性能；此外，在測試過程中，封裝蓋作為保護結構至關重要 —— 功能測試或系統級測試的機械插拔過程非常嚴苛，因此使用封裝蓋的客戶很看重這一點。無封裝蓋時，客戶始終會擔心測試中的機械完整性?！?/span>
一種正在研發的冷卻技術是水沖擊冷卻 —— 直接向無蓋芯片的背面噴射水流。
Kelly 解釋：“直接向硅片頂部噴水，比將水容納在某種水套中能散除更多熱量。水不發生相變，但硅片表面的水邊界層變得極薄，因此熱阻極低?！?/span>
對于無封裝蓋支撐的芯片，可在基板邊緣放置環形加強件，以提供剛度并緩解溫度變化導致的翹曲。
更前沿的技術是微流控散熱，即通過內部微通道使冷卻劑流動。液體不再僅包圍封裝，而是流經通道并從內部吸收熱量。
Karimajji 描述：“微尺度散熱片包含兩部分：一部分位于 CPU 模塊頂部，另一部分是帶風扇的散熱片，兩者通過液體回路連接。液體流經 CPU 模塊吸熱，然后進入稱為‘散熱器’的冷卻槽，散熱片在此處將熱量釋放到環境中，冷流體再被泵回 CPU 模塊?！?/span>
這對硅片堆疊的冷卻尤為重要 —— 堆疊頂部的芯片可輕松向環境散熱，而中間的芯片必須通過堆疊傳導熱量。微通道為中間芯片提供了更高效的散熱路徑，代價是系統復雜度和成本的上升。
目前這些系統主要為單相散熱。Karimajji 補充：“業界正嘗試將兩相系統從研發階段推向商用?！?/span>
08 熱量向 PCB 傳導的路徑
熱量向 PCB 及系統其他部分傳導的路徑更為復雜。自然散熱路徑包括芯片與基板的界面（即芯片黏接層）以及從芯片延伸至 PCB 連接端的金屬引線。
在先進封裝中，并非所有引線都延伸至封裝外部：內部信號引線在封裝內組件間傳遞熱量，而外部引線可能需先經過中介層或硅橋才能到達基板。
Karimajji 表示：“中介層可達六層，但若仍不足，從封裝頂部散熱是另一種并行路徑?！?/span>
更高導熱性的共晶合金可改善芯片黏接層的熱傳導，引線也發揮重要作用。
Fromm 指出：“金屬密度有助于散熱，接地連接和平面層對此有益。然而，若芯片的高互連區域正是熱源，則其成為凈熱原而非散熱端。”
Synopsys 產品管理總監 Keith Lanier 表示：“芯片最高溫度取決于 [互連] 凸點的密度。使用 EDA 優化工具可調整凸點密度，從而影響芯片最高溫度?！?/span>
09 新型焊料與基板
焊料類型同樣關鍵，金錫焊料在這方面表現優異。Fromm 表示：“標準焊料的熱導率約為 20-30 W/mK，金錫焊料約為 60 W/mK，性能提升三倍。”
燒結銀也受到關注，尤其在功率器件領域。Fromm 介紹：“這類材料為膏狀，像環氧樹脂一樣涂覆，燒結后熱導率極高 —— 可達 70-100 甚至 150 W/mK?！?/span>
據 Kweon 透露，Amkor 也在研發銅引線連接技術，但銅材料加工難度更高，需更精細的工藝控制，導致成本上升。Fromm 表示：“銅連接可行，但表面必須極潔凈且氧化層需嚴格控制，因此需在惰性氣氛中操作。這與銅基芯片間混合鍵合面臨的挑戰類似?！?/span>
無論通過引線還是芯片黏接層，所有潛在散熱路徑在到達 PCB 前都需經過基板。標準有機基板的導熱性一般，但未來可能出現更高熱導率的陶瓷基板。
Fromm 表示：“在我看來，理想方案是高密度、高導熱性陶瓷基板，既能散熱又能提供足夠的 I/O 密度。”
此類基板成本將高于有機基板，但其比有機基板更平整、更堅硬，可提升生產良率。Fromm 推測：“或許組裝良率將推動經濟平衡 —— 即使基板成本更高，若能以更高良率制造或獲得更高性能，可能仍具性價比?！?/span>
10 側向散熱路徑
從芯片側面散熱為冷卻增加了新路徑。盡管單個芯片可能因過薄而效果有限，但芯片堆疊可通過側向路徑散熱，且無需承擔微流控技術的成本與復雜度。一種方法是模塑倒裝芯片球柵陣列（FCBGA）。
在標準 FCBGA 中，組件周圍是空氣；而模塑 FCBGA 中，該空間填充導熱模塑化合物，使熱量可從堆疊中的芯片側向傳導。
Kweon 解釋：“在芯片堆疊中，被夾在中間的芯片缺乏有效散熱路徑，因為封裝內芯片周圍的空氣是極差的熱導體。” 模塑材料取代空氣，改善了側向熱傳導路徑。
隨著先進硅制程應力的增加，這一技術愈發重要。Kweon 補充：“硅制程即將進入 2nm，此時層間電介質非常脆，模塑 FCBGA 可降低熱應力屏障?！?/span>
圖 3：模塑 FCBGA。模塑材料取代封裝內的空氣，改善側向散熱路徑。來源：Bryon Moyer
11 多元化散熱方案的演進
隨著芯片和封裝產熱持續增加，散熱方案的數量也在不斷增長。鑒于封裝內組件間的復雜相互作用，組裝技術的變革往往是漸進式的。即便存在革命性新系統，也不太可能完全取代現有方案 —— 因此，我們所見的各類技術將以不同組合持續演進。
早期設計規劃至關重要。Synopsys SoC 工程高級總監 Shawn Nikoukary 表示：“我們確實看到更多前期工作，包括架構探索甚至 RTL 層級的優化。我們必須影響芯片架構以實現最佳散熱性能，架構階段投入越多，后期工作就越輕松?！?/span>
同時，不應忽視應用場景決定的成本上限。Kelly 指出：“數據中心傾向于采用相當前沿的解決方案，因其市場更能承擔成本；但對于筆記本、臺式機或其他邊緣設備，我們必須謹慎控制成本并高效散熱?！?/span>
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