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引言$ J) x- R( [; h
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]。# h C0 g K- Q
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, b( M) A3 Z- g" K6 `, V# c& B4 _
' V1 X0 F, K0 h0 ~& x: r. P2.5-D封裝中的散熱挑戰(zhàn)- f$ h& B3 j7 X
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)。
0 T' O2 s8 V- |/ }; q2 P4 P/ o' M. w. q$ }# N% F+ o5 T
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。
& x, U1 n f: ?* ^* a5 Y
! v, }' g8 N2 Q- V: W3 k. s% l
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4 X1 `& B( e4 V
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。) d" P1 p5 l/ g6 @( D; n
# J! h. c5 }' d$ f4 w7 f, k, O4 K" w f9 W
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。
" P7 z6 s' a5 u( e2 M! A+ ]. [( C( ]
創(chuàng)新冷卻方法:中介層中的微通道散熱器
! N7 v! s' C: b1 {2 Q3 P: V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。4 W, q$ T9 d6 k+ J7 w
& C: e* Z* i5 C- d& V G
這種方法的主要優(yōu)勢(shì)包括:# ?# m6 X- i. G) t
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。. p4 Z0 w- x8 V+ q/ P
' ?$ O6 q+ T8 Q2 {
# e. Z- M6 N* z微通道散熱器的分析模型! V5 x" n+ g+ [/ p: d; J
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。; x6 }* v6 R! Z% v% c- \: E* S6 g
6 D3 ?: }+ k1 z1 k; `+ s
分析模型考慮以下關(guān)鍵參數(shù):$ [, f/ `% ~# ?/ |2 v \4 {
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)
; N) E) g- h" }, g' V" b' b0 N1 u7 ]8 v# X
該模型使用以下公式計(jì)算通道壁和流體之間的熱阻:
) s0 j% n8 V" p9 r. M2 o4 A2 V7 J/ L0 j( ~. K
Rth_uch = 1 / (dm/dt * cp * (1 - e(-h*A / (dm/dt * cp)))
: r: }8 t+ ^4 x
9 S0 P# ]4 E* s2 K) M+ Z5 n其中:& Z4 V3 U+ }4 r: K5 t
Rth_uch: 單個(gè)通道的熱阻
' b$ M: J, ^% a3 c9 Hdm/dt: 質(zhì)量流量
+ y; X1 q5 F) L6 t$ |& Dcp: 流體的比熱, a- N J8 `) q( M; [
h: 熱傳遞系數(shù)# u+ g' n. H- N7 ?7 H3 s
A: 熱交換面積
5 Q# ~2 v" @2 r$ R) h P
- M! m5 t; L. Q4 K9 l0 j( }: j對(duì)于并行微通道結(jié)構(gòu),總熱阻(Rth_uch_str)計(jì)算如下:
B/ O: n8 e. \) E. y, k. @4 U" @' M0 {4 X0 g- c3 Q
Rth_uch_str = 1 / (∑(1/Rth_uch_i))9 x% ~& W2 b8 X$ @$ F
! }4 h2 E8 M4 B4 {% ^
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。* q1 g' ^5 X4 m8 p R O
7 |, S1 S; @' ]6 s
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# h5 |' k% J. W7 F5 o1 c9 l圖2:熱圖的集總元件模型。# a, y2 \6 T+ t+ D7 K
( f# W M& V# S, B% c; t
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。
- d3 ] _" Z1 y: f+ f+ s3 P5 t) s6 [# l1 S, o
模擬設(shè)置和結(jié)果4 }4 g3 J9 \3 \7 M( s
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。2 L4 l* I5 f) o' A2 Y3 H& k! M
' F5 e& Z$ N' ~! h8 @$ `模擬模型包括以下組件:# q8 |9 I) K$ E) h8 ?% @
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
- ] d$ V, z2 \9 s( K$ h8 b3 w
' _0 F0 D! D+ @& t9 p# n# X: g
6 A! C( N. Q% z! `( d( H
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0 D$ D( C* G. @* u2 ~! r# F圖3:異構(gòu)封裝的分解圖。, m: c: G3 N5 h7 ^0 w' [0 f( W/ j0 w
: L( g9 H' z- D" a8 h$ A
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。
& P( K5 X& t5 o! q* P' n; _; H4 |' p7 k* u; I# e' ^+ \( C
模擬研究了四種不同的場(chǎng)景:
0 L8 z/ n4 Z9 E5 C( h1. 僅有蓋的封裝(無(wú)額外散熱器)
' E" b1 Q# e) l: e2. 帶蓋和散熱器-風(fēng)扇(HSF)組件的封裝" q- `# w8 k% o2 ~3 Y, _& N K' H
3. 具有均勻功率分布的四核CPU* R3 N2 [+ v) c2 ~
4. 具有非均勻功率分布的四核CPU(一個(gè)高功率核心)! J9 z( \4 C, Y# V; l
. {6 h, y; O0 {9 t- ~$ }+ L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。) O' O: l1 J3 A2 T' o. j
1 @3 K: G8 `4 @; b* b
結(jié)果和討論 e: \: m/ O" O7 Z8 ?: U5 t( J
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:. J4 a% v5 N' V6 v( h5 B9 `2 ~ m
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)。: w" Z7 ]8 y& Q2 O
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。8 A& L, Q7 a3 T+ n y" V2 l
3. 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。
+ x3 [& N! ?) n! X+ J9 Q2 J6 X: @* H! E* W- t' P
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6 ~* n1 d+ } V: |6 ~$ 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。! g8 ^+ c8 J/ H/ s& Y
# X, j' W/ n) G$ Z' X) v9 K
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。9 w7 E) k% h: R% q& Q$ }% \- L
2 J* ]; Z3 _% G( M5 V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。7 O3 v! a: I( A1 c# l3 e
& W- ]% T& }; s- l% `2 _ q3 J
實(shí)際考慮因素% |4 d4 W4 k- W9 M
需要考慮幾個(gè)實(shí)際因素:
8 Z8 Z; M$ D5 y( U- q1. 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。
b' A5 Q1 v. E# I' J3 e# G2. 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。9 N/ X5 Z/ O- U" ~
3. 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。2 t7 b- u% f6 d7 R D" T0 }
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。
' y; c% Z* w* w% s( H- h- y0 A! R( V) _8 z5. 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。
' T/ R0 M! v/ |* u; K# f: w9 G8 N9 b$ @, e- v* c9 Q$ s6 `
結(jié)論
% g i6 J O& ]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。# Q/ H2 R* ?2 s! @5 k
& E! j( F( A) x" `. |1 a0 `- ?
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。# M4 K! a$ N7 R
5 L7 I$ x& {7 C% l) b參考文獻(xiàn), N. \2 n0 L% z# m# H: F# N
[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.
7 N, G; ]* p- D% Q3 x% Q% l% p3 F% t y
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