先进封装中的热管理

随着芯片行业向异构集成迈进，先进封装成为实现摩尔定律扩展、提升性能和功能的关键技术。如何有效地管理封装中的热量成了比较大的问题。本文关注先进封装中热管理有哪些挑战，并介绍解决这些挑战的创新方法。

在先进封装中，通过垂直堆叠各种组件，将更多特性和功能封装到设备中，相较于仅缩小数字电路，使得更多功能能够被整合到标线大小的SoC中。这也带来了热管理的困境。单个芯片上信号路径短，基板能够有效散热，但在封装中存在多个芯片时，基板和电介质需要更薄，限制了热耗散的能力。多个芯片集成到一个封装中可能导致难以预测的热点，特别是在不同的工作负载和用例下。随着供应商在封装中放置的芯片数量增多，如何分布和管理热量成为一个关键问题。供应商放置8、10或12个芯片，如何将热量分布到各处成了最为关键的点。

异构集成的成功取决于有效的热管理，以确保封装中的芯片保持可接受的温度以实现可靠运行。材料选择成为异构集成中热管理的关键因素。不同组件的热膨胀系数（CTE）不同，升温和冷却会导致材料以不同速率膨胀和收缩，可能引起机械应力，损害芯片完整性。选择具有相似CTE的材料有助于减少这些应力，降低早期失效风险，关键在于处理3D尺度上的CTE，这涉及到材料的创新和工艺的改进。

在热管理方面，异构集成要求在设计阶段就考虑热分析和设计优化。发展需求领域包括先进的热流建模技术、高导热率和低导电率的新材料，以及能够集成到复杂封装中的新型冷却解决方案。设计过程中的热分析不再是事后的考虑，而是从设计到制造的整个流程中的一部分。工程师必须考虑不同芯片的功耗、工作模式下的热量分布等因素，并在RTL布局规划阶段执行这些操作。这需要多学科的设计方法，涉及热学、电磁干扰和机械工程等领域的专业知识。

创新的材料和设计方法面对异构集成中的热挑战，行业必须不断创新材料和设计方法。新型热界面材料（TIM）的开发变得至关重要，这些材料在芯片与冷却器之间提供高效的热传导路径，同时不影响芯片的性能。

为了克服翘曲、裂纹等问题，需要开发具有兼容特性的新材料，确保它们在制造和组装过程中能够经受住考验。这些基材材料的发展可能比界面材料、粘合剂等更慢，取决于工艺条件以及如何管理这些条件，在加工方面可以做得更好的地方是与粘合剂制造商合作，了解温度的变化，然后在设计层面上了解所有这些堆叠如何发展，考虑到这些温度的变化。

随着半导体行业不断突破性能和集成的界限，先进封装中的热管理仍然是一个不可忽视的挑战。转向更密集封装的多芯片模块，热复杂性不断升级，材料科学和创新的冷却技术进步正在努力减轻由此产生的热应变。

在解决热管理挑战方面，新材料的发展成为关键的一环。一些材料，如金刚石、氧化铍、氮化铝、氮化硼等化合物，以及氮化硅，在共价键和阴阳离子质量方面表现出强大性能。尽管这些材料在提供高导热率方面表现出色，但由于其制造上的挑战，需要高温烧结工艺，因此存在挑战。

复合材料的运用成为克服这些挑战的一种途径。例如，在环氧复合材料中加入氮化铝，虽然导热性不及固体陶瓷，但仍可部分实现热处理的优势。这种混合材料的应用在电子封装中至关重要，因为电子封装需要既能有效导电又能吸收足够热量以防止影响信号性能的材料。

金刚石因其极高的硬度而被广泛认知，是典型的热导体和绝缘体。聚四氟乙烯等聚合物材料虽然电导性不如陶瓷或金刚石，但在导热性和电绝缘性方面仍然胜过许多塑料。陶瓷材料如玻璃、瓷器等都具备良好的绝缘和导热特性，为实际应用提供了可行的解决方案。

氮化铝（AlN）作为绝缘体在半导体器件中的应用也相当广泛，尤其是在弥合芯片和传热组件之间的间隙。尽管其导热性不及氧化铍，但由于提供了更安全、更具成本效益的替代方案，AlN在热管理方面仍具有优势。

合成蓝宝石以其经济实惠和可塑性成为半导体封装领域的有价值的参与者。这些材料在封装设计中展现出独特的优势，特别是在需要卓越的电绝缘体来管理热量的情况下。

除了特殊和刚性组件外，导热油脂和粘合剂等材料在电子封装中发挥着关键的作用。虽然它们的导热性能不及一些典型的陶瓷材料，但它们在填充小间隙或表面不规则之处，促进组件之间的热传递方面提供了重要的支持。

随着新材料为散热铺平道路，创新的冷却技术也在不断发展。硅微通道作为微型通道被蚀刻在基板上，直接将冷却剂输送到热点的中心，优于传统散热器。然而，这种直接冷却方法在设计、组装和可靠性方面仍面临挑战。

闭环液体冷却系统的发展有望在提供较低的工作温度的同时克服气流方法的限制。这些系统的设计和工艺处理仍需要更多的研究。

对于改变芯片结构的选择，例如将逻辑放在内存之上，并在顶部放置散热器，提供了一种有望减少功耗和提高热量散发效率的途径。这种方法通过反转堆叠芯片的结构，使散热更为直接，避免了复杂的热通路。

人工智能支持的实时热管理算法的应用也在不断增加。这些算法可以监控芯片内部位置的温度，动态调整冷却资源，确保最佳性能而不跨越热红线。实时适应当地温度曲线的电源完整性变得越来越重要。

对相变材料和生物冷却系统的研究预示着未来可能会有更为被动和有效的温度调节方法。这些创新有望为热管理领域注入新的思路。

总体而言，随着半导体行业的不断发展，解决异构集成中的热管理挑战需要跨学科的创新和综合的解决方案。从材料科学到冷却技术，都需要在确保可预测和一致的热管理的同时，继续推动技术的边界。展望未来，我们有望看到更多突破性的材料和技术，为先进封装提供更好的热管理解决方案。