異構(gòu)集成2.5D封裝的冷卻解決方案

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
3 n- {7 o& A6 C; t隨著半導(dǎo)體行業(yè)不斷突破集成度和性能的界限,現(xiàn)代電子封裝中出現(xiàn)了新的散熱挑戰(zhàn)。2.5-D和3-D封裝技術(shù)的出現(xiàn)導(dǎo)致功率密度增加,散熱管理要求更加復(fù)雜。本文介紹通過(guò)在中介層中加入微通道散熱器來(lái)增強(qiáng)異構(gòu)集成2.5-D封裝熱傳遞的新方法[1]。
9 R9 o( j' F  b. i$ k  }3 U  D, E

4 t) b6 t5 [* q# x$ T5 v& u! n

1 b7 ?+ E0 q  H( O5 R; ]2.5-D封裝中的散熱挑戰(zhàn)
. `; _/ Q' M6 U, B  M異構(gòu)集成允許在單個(gè)封裝中組合具有不同功能和制造技術(shù)的多個(gè)chiplet。雖然這種方法在性能和功能方面具有顯著優(yōu)勢(shì),但也帶來(lái)了獨(dú)特的散熱管理挑戰(zhàn)。Chiplet厚度的變化和不同互連技術(shù)的使用可能導(dǎo)致熱分布不均勻和局部熱點(diǎn)。

傳統(tǒng)的冷卻方法,如使用熱界面材料(TIM)和散熱器,可能不足以有效解決這些挑戰(zhàn)。因此,研究人員正在探索創(chuàng)新的冷卻解決方案,以維持這些先進(jìn)封裝中的最佳工作溫度。


# R& t8 D$ o# y1 S; S圖1：帶HSF的FCPGA結(jié)構(gòu)的分解圖。紅色箭頭表示主要和次要熱流路徑。

圖1說(shuō)明了倒裝芯片球柵陣列(FCBGA)封裝中的傳統(tǒng)熱流路徑。主要熱流路徑從結(jié)從經(jīng)過(guò)芯片到散熱器和風(fēng)扇組件。然而,還存在次要熱流路徑,通過(guò)微凸點(diǎn)、中介層和凸點(diǎn)將熱量傳遞到主板。

創(chuàng)新冷卻方法:中介層中的微通道散熱器
為了解決2.5-D封裝中的散熱挑戰(zhàn),本文提出了一種將微通道散熱器直接集成到中介層的新方法。這種創(chuàng)新的冷卻解決方案旨在增強(qiáng)次要熱流路徑,提供從chiplet到環(huán)境的更有效熱耗散。

這種方法的主要優(yōu)勢(shì)包括:
' k8 u1 N8 R! c! }

靠近熱源:通過(guò)將微通道放置在中介層中,更接近c(diǎn)hiplet,允許更有效的熱傳遞。

均勻冷卻:微通道結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)為在整個(gè)封裝中提供更均勻的冷卻。

與現(xiàn)有封裝技術(shù)兼容:這種解決方案可以集成到當(dāng)前的2.5-D封裝工藝中,無(wú)需重大修改。


微通道散熱器的分析模型
為了評(píng)估微通道散熱器的性能,開發(fā)了一個(gè)分析模型。該模型允許快速評(píng)估熱和流體動(dòng)力學(xué)行為,而無(wú)需耗時(shí)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模擬。

分析模型考慮以下關(guān)鍵參數(shù):

通道幾何(寬度、深度和長(zhǎng)度)

流體特性(熱導(dǎo)率、比熱、密度和粘度)

流量

熱傳遞系數(shù)

: L; s  J( ?2 W3 [# K7 h該模型使用以下公式計(jì)算通道壁和流體之間的熱阻:

* a' r( |: A, a2 Q  O2 pRth_uch = 1 / (dm/dt * cp * (1 - e(-h*A / (dm/dt * cp)))
" ^/ ]$ m; r. h( D% t3 b
其中:
Rth_uch: 單個(gè)通道的熱阻
( K7 E9 H) A7 F* _dm/dt: 質(zhì)量流量
2 D. H  Q/ _7 q+ Z" Y1 {5 }cp: 流體的比熱
+ t2 V0 x3 b% eh: 熱傳遞系數(shù)
A: 熱交換面積
9 v6 V; g" u2 P  M+ N, t6 ]. `, [) F
對(duì)于并行微通道結(jié)構(gòu),總熱阻(Rth_uch_str)計(jì)算如下:
2 k7 N0 ?3 o0 u  _/ M! B5 J
Rth_uch_str = 1 / (∑(1/Rth_uch_i))

這個(gè)分析模型提供了一種快速有效的方法來(lái)估算微通道散熱器的冷卻性能,允許快速設(shè)計(jì)迭代和優(yōu)化。
' ?% d* y2 O# q* Y: _4 F

9 R- L- P3 F! S' n% R4 y圖2:熱圖的集總元件模型。

% z: N' F2 I% K. Y圖2顯示了熱圖的集總元件模型,說(shuō)明了系統(tǒng)中的各種熱阻,包括微通道散熱器。
7 Q" ]) B5 Q/ K8 l% G6 D; c
& ~: ]# V& i$ [( N$ B4 r) ~9 T2 O模擬設(shè)置和結(jié)果
為了驗(yàn)證提出的冷卻解決方案,使用CFD工具創(chuàng)建了異構(gòu)集成2.5-D封裝的詳細(xì)3-D模型。
: V" c. L% ?+ q: N
模擬模型包括以下組件:

JEDEC高熱導(dǎo)率測(cè)試板

帶嵌入式微通道的硅中介層

三個(gè)chiplet: CPU、GPU和內(nèi)存模塊

用于互連的SnAg凸點(diǎn)和微凸點(diǎn)

帶熱界面材料的不銹鋼蓋
' t$ e- u# H/ ]4 l5 K$ O& ^; D! _

9 N( _7 B7 m, ^( ]* T$ G/ m
圖3:異構(gòu)封裝的分解圖。

圖3提供了模擬的異構(gòu)封裝的分解圖,顯示了各種層和組件。

& u0 d; _0 G. C1 q' i模擬研究了四種不同的場(chǎng)景:
1. 僅有蓋的封裝(無(wú)額外散熱器)
) e: D* {' w- l3 W, A* f4 }, K1 H+ x2. 帶蓋和散熱器-風(fēng)扇(HSF)組件的封裝
9 u! s- ?$ T7 q2 P) D3. 具有均勻功率分布的四核CPU
9 L6 N: k1 h* p2 ~: z% x  p0 ~, `4. 具有非均勻功率分布的四核CPU(一個(gè)高功率核心)

; n1 i" i0 m1 ~- w2 v對(duì)于每種場(chǎng)景,模擬了三種不同的冷卻液流量:0、10和100 cm3/min。

/ g9 r4 o: y' g3 r- f9 I結(jié)果和討論
$ d- r; W2 \) L$ @& x, a* h/ h模擬結(jié)果證明了所提出的微通道冷卻解決方案的有效性。關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)包括:
1. 顯著的溫度降低：在第一種情況(僅有蓋)中,結(jié)溫度隨著流量的增加而顯著降低。例如,CPU溫度從300°C以上(無(wú)流量)降至109°C(100 cm3/min)。
2. HSF增強(qiáng)冷卻：添加散熱器-風(fēng)扇組件進(jìn)一步提高了冷卻性能。在第二種情況下,當(dāng)將HSF與微通道冷卻相結(jié)合時(shí),在最高流量下CPU溫度從109°C降至44°C。
6 l4 R3 z% F# g3. 非均勻功率分布：在第四種情況下,一個(gè)CPU核心具有高功率負(fù)載,微通道冷卻解決方案特別有效。與沒(méi)有微通道冷卻的情況相比,高功率核心的溫度降低了72.7°C。
8 T6 o+ ]: x, ~! Z% q$ c1 i3 Y

圖4：第四種情況下芯片上的溫度分布。紅色箭頭表示流體流動(dòng)的方向。

圖4說(shuō)明了第四種情況下芯片上的溫度分布,突出了微通道冷卻解決方案在管理局部熱點(diǎn)方面的有效性。
- {2 ]* U2 D  q2 a, W% N
模擬結(jié)果還驗(yàn)證了分析模型,計(jì)算和模擬的熱阻之間有良好的一致性。例如,在100 cm3/min的流量下,分析模型預(yù)測(cè)的熱阻為0.264 K/W,而模擬結(jié)果為0.31 K/W。
4 M, O. I- t2 @6 v
7 n- Z6 _1 Y4 w% P  f$ Z實(shí)際考慮因素
0 w& {8 K' z$ Q& y0 d; z8 F需要考慮幾個(gè)實(shí)際因素:
1. 制造工藝：必須使用與CMOS兼容的工藝制造微通道,以確保與現(xiàn)有制造技術(shù)的集成。
2. 流體管理：必須設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)娜肟诤统隹诮Y(jié)構(gòu),以確保微通道中的均勻流動(dòng)分布。
$ X, F9 U3 @* `3 D' K' m% p3. 壓降：隨著通道長(zhǎng)度的增加,微通道結(jié)構(gòu)的壓降變得更加顯著。這可能需要更強(qiáng)大的泵或通道幾何的優(yōu)化。
4. 可靠性：必須徹底評(píng)估微通道結(jié)構(gòu)及其與中介層集成的長(zhǎng)期可靠性。
5. 成本考慮：必須權(quán)衡微通道制造所需的額外制造步驟與提供的熱效益。

結(jié)論
/ e/ _# C8 }2 a2 u) {本文介紹了使用嵌入在中介層中的微通道散熱器冷卻異構(gòu)集成2.5-D封裝的新方法。提出的解決方案在散熱管理方面提供了顯著改進(jìn),特別是對(duì)于具有高功率密度和局部熱點(diǎn)的封裝。
# ~8 g& }/ u$ B' _! U' S5 l- p
; K. D6 r. u2 v/ W2 H1 N' ~* |2 r( y分析建模和詳細(xì)CFD模擬的結(jié)合展示了這種冷卻技術(shù)在解決先進(jìn)電子封裝散熱挑戰(zhàn)方面的潛力。隨著半導(dǎo)體行業(yè)繼續(xù)推動(dòng)集成和性能的界限,像本文中提出的創(chuàng)新冷卻解決方案將在實(shí)現(xiàn)下一代高性能電子系統(tǒng)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。

1 t+ y' E! }& q' }% ^; L& }. P) o參考文獻(xiàn)
[1] G. Bognár, G. Takács and P. G. Szabó, "A Novel Approach for Cooling Chiplets in Heterogeneously Integrated 2.5-D Packages Applying Microchannel Heatsink Embedded in the Interposer," IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 13, no. 8, pp. 1155-1163, Aug. 2023, doi: 10.1109/TCPMT.2023.3298378.

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