異構集成2.5D封裝的冷卻解決方案

逍遙設計自動化

引言
隨著半導體行業(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封裝技術的出現(xiàn)導致功率密度增加,散熱管理要求更加復雜。本文介紹通過在中介層中加入微通道散熱器來增強異構集成2.5-D封裝熱傳遞的新方法[1]。
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2.5-D封裝中的散熱挑戰(zhàn)
異構集成允許在單個封裝中組合具有不同功能和制造技術的多個chiplet。雖然這種方法在性能和功能方面具有顯著優(yōu)勢,但也帶來了獨特的散熱管理挑戰(zhàn)。Chiplet厚度的變化和不同互連技術的使用可能導致熱分布不均勻和局部熱點。

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,以維持這些先進封裝中的最佳工作溫度。
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圖1：帶HSF的FCPGA結構的分解圖。紅色箭頭表示主要和次要熱流路徑。

' A7 K. U+ x# L/ P9 P; \5 L圖1說明了倒裝芯片球柵陣列(FCBGA)封裝中的傳統(tǒng)熱流路徑。主要熱流路徑從結從經過芯片到散熱器和風扇組件。然而,還存在次要熱流路徑,通過微凸點、中介層和凸點將熱量傳遞到主板。

1 I+ K! L- N. t7 s3 z( n0 `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)勢包括:
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靠近熱源:通過將微通道放置在中介層中,更接近chiplet,允許更有效的熱傳遞。

均勻冷卻:微通道結構可以設計為在整個封裝中提供更均勻的冷卻。

與現(xiàn)有封裝技術兼容:這種解決方案可以集成到當前的2.5-D封裝工藝中,無需重大修改。
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" k/ T! o6 ^2 @$ e! B6 `/ f微通道散熱器的分析模型
+ L1 M( j1 W; t  |9 B; O) W3 e為了評估微通道散熱器的性能,開發(fā)了一個分析模型。該模型允許快速評估熱和流體動力學行為,而無需耗時的計算流體動力學(CFD)模擬。

分析模型考慮以下關鍵參數(shù):
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通道幾何(寬度、深度和長度)

流體特性(熱導率、比熱、密度和粘度)

流量

熱傳遞系數(shù)
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該模型使用以下公式計算通道壁和流體之間的熱阻:

Rth_uch = 1 / (dm/dt * cp * (1 - e(-h*A / (dm/dt * cp)))
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( `) `# K  X# ]& R# g其中:
& I' Z5 z( N( a2 A+ LRth_uch: 單個通道的熱阻
dm/dt: 質量流量
cp: 流體的比熱
) a1 I) b4 j2 C3 l4 ?$ xh: 熱傳遞系數(shù)
A: 熱交換面積

4 n! c; G: d" m1 h對于并行微通道結構,總熱阻(Rth_uch_str)計算如下:

Rth_uch_str = 1 / (∑(1/Rth_uch_i))

! }6 j, d  E' e2 K8 }, V這個分析模型提供了一種快速有效的方法來估算微通道散熱器的冷卻性能,允許快速設計迭代和優(yōu)化。


圖2:熱圖的集總元件模型。
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% {/ d/ T3 o  C- E1 ?圖2顯示了熱圖的集總元件模型,說明了系統(tǒng)中的各種熱阻,包括微通道散熱器。
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  Z7 d' A2 g& q9 s模擬設置和結果
為了驗證提出的冷卻解決方案,使用CFD工具創(chuàng)建了異構集成2.5-D封裝的詳細3-D模型。
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% a5 C  |5 r9 ?0 F  i模擬模型包括以下組件:

JEDEC高熱導率測試板

帶嵌入式微通道的硅中介層

三個chiplet: CPU、GPU和內存模塊

用于互連的SnAg凸點和微凸點

帶熱界面材料的不銹鋼蓋


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/ [7 Q2 o, H- A7 z, H圖3:異構封裝的分解圖。
& c+ Z# H! n0 c' [
2 }0 ~/ D& t2 o, h+ ?  x% W+ J圖3提供了模擬的異構封裝的分解圖,顯示了各種層和組件。

0 I: k( X% {) c9 D2 \模擬研究了四種不同的場景:
5 ]' p4 }3 L+ E/ E6 r  m- a1. 僅有蓋的封裝(無額外散熱器)
2. 帶蓋和散熱器-風扇(HSF)組件的封裝
3. 具有均勻功率分布的四核CPU
4. 具有非均勻功率分布的四核CPU(一個高功率核心)
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對于每種場景,模擬了三種不同的冷卻液流量:0、10和100 cm3/min。

, p" h: \- D9 y: c結果和討論
模擬結果證明了所提出的微通道冷卻解決方案的有效性。關鍵發(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(無流量)降至109°C(100 cm3/min)。
2. HSF增強冷卻：添加散熱器-風扇組件進一步提高了冷卻性能。在第二種情況下,當將HSF與微通道冷卻相結合時,在最高流量下CPU溫度從109°C降至44°C。
4 l* D% `1 \3 r. Q0 r5 [3. 非均勻功率分布：在第四種情況下,一個CPU核心具有高功率負載,微通道冷卻解決方案特別有效。與沒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。

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! o& X3 J7 N; w5 `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的方向。
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$ P2 Y" |$ B9 W- G$ L" F圖4說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方面的有效性。

, D% u. i9 j( u% G/ y$ g模擬結果還驗證了分析模型,計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,分析模型預測的熱阻為0.264 K/W,而模擬結果為0.31 K/W。

實際考慮因素
6 g1 W: c' g1 `4 R: i0 B需要考慮幾個實際因素:
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)有制造技術的集成。
5 Y% v2 \- [5 K4 `& n2. 流體管理：必須設計適當?shù)娜肟诤统隹诮Y構,以確保微通道中的均勻流動分布。
3. 壓降：隨著通道長度的增加,微通道結構的壓降變得更加顯著。這可能需要更強大的泵或通道幾何的優(yōu)化。
4. 可靠性：必須徹底評估微通道結構及其與中介層集成的長期可靠性。
5. 成本考慮：必須權衡微通道制造所需的額外制造步驟與提供的熱效益。
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結論
8 z) {5 W2 @, z! J$ N! V# q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,特別是對于具有高功率密度和局部熱點的封裝。

分析建模和詳細CFD模擬的結合展示了這種冷卻技術在解決先進電子封裝散熱挑戰(zhàn)方面的潛力。隨著半導體行業(yè)繼續(xù)推動集成和性能的界限,像本文中提出的創(chuàng)新冷卻解決方案將在實現(xiàn)下一代高性能電子系統(tǒng)方面發(fā)揮關鍵作用。
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參考文獻
[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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