隨著半導體行業(yè)達到較低的工藝節(jié)點，硅設計人員很難讓摩爾定律產(chǎn)生前幾代取得的成果。在單片系統(tǒng)芯片 (SoC) 設計中增加管芯尺寸在經(jīng)濟上不再可行。將單片 SoC 分解為專用芯片（稱為小芯片）在成本、良率和性能方面具有顯著優(yōu)勢。小芯片為制造商提供了優(yōu)勢，即能夠僅縮小特定組件的工藝節(jié)點，同時將其他組件保持在更經(jīng)濟的尺寸。此外，一些與功率相關的因素也發(fā)揮了作用。異構(gòu)集成提供了一條替代路徑來與摩爾定律保持同步，而不是依賴于傳統(tǒng)的節(jié)點縮小技術。與傳統(tǒng)的單體結(jié)構(gòu)相比，熱管理，因為它們增加了功率密度、物理尺寸和幾何形狀。

異構(gòu)集成允許將不同流程節(jié)點和功能的組件封裝到單個模塊中。有多種方法，包括但不限于多芯片模塊 (MCM)、系統(tǒng)級封裝 (?SiP?)、2.5D 硅通孔 (?TSV?) 硅中介層和高密度扇出 (?HDFO)）。其中一些技術已經(jīng)存在了很長一段時間，但直到最近才開始流行將大型單片 SoC 裸片分解成更小的子組件或小芯片，這些子組件或小芯片被封裝到單個模塊中。這種類型的異構(gòu)封裝使公司能夠與摩爾定律的規(guī)模和經(jīng)濟保持同步。異構(gòu)封裝的好處很多。首先，設計人員不再受限于單節(jié)點技術。單個功能可以使用舊節(jié)點大小，而遷移到最新節(jié)點沒有經(jīng)濟意義。其次，較小的芯片尺寸允許每個晶圓有更多的芯片，因此周邊的浪費更少。良率也有所提高，因為失敗的子組件不需要拒絕整個 SoC。雖然有很多應用異構(gòu)封裝，這篇博文將特別關注高性能計算（HPC）。

互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 器件以三種主要方式散熱：動態(tài)功率、短路耗散和泄漏。當電容器吸收能量進行充電時，由于電路內(nèi)的開關活動而發(fā)生動態(tài)功耗。從歷史上看，這種方法是 CMOS 器件中功耗最高的來源，但最近在較低節(jié)點上，漏電流發(fā)揮了更重要的作用。對于 65nm 及以下的高科技節(jié)點，泄漏功率已增長到占設備總功耗的 50%。

功耗被認為是芯片設計中最大的限制因素.?盡管可以將越來越多的內(nèi)核壓縮到單個硅片中，但由于熱限制，同時以全性能運行所有這些內(nèi)核是不可行的。相反，必須限制或停用內(nèi)核以減輕過熱。無法使用硅的現(xiàn)象，通常被稱為“暗硅”，由于熱問題，硅區(qū)域必須停用，限制了整體設備的性能和效率，因為設備無法充分發(fā)揮其潛力。功耗不是一個正在消失的問題。隨著硅中每次計算的功率效率不斷提高，整體封裝功率密度也在增加。增加封裝功率密度需要仔細設計和材料考慮以優(yōu)化熱性能。

功率密度趨勢

在超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心和人工智能 (AI) 計算興起之前，每個機架 3-5 kW 的功率密度被認為是常態(tài)。在這個級別，機架中的芯片可以使用風冷散熱器進行冷卻。風冷散熱器會將空氣釋放到數(shù)據(jù)中心通道中，最終通過冷卻器或制冷裝置將熱量提取出來。如今，人工智能和其他新的 HPC 應用需要更多的每個芯片的功率，有些甚至超過 500 W。在標準機架尺寸的情況下，通過移動空氣冷卻機架不再有效，甚至不可行。事實上，數(shù)據(jù)中心機架功率密度預計將繼續(xù)上升，并有望在不久的將來達到每機架 15 至 30 kW。這種功率密度水平需要其他形式的冷卻。

今天正在開發(fā)許多先進的冷卻解決方案。理想的冷卻解決方案可以使用現(xiàn)有的基礎設施來實施，并且不會從根本上改變數(shù)據(jù)中心環(huán)境。熱管和均熱板在閉環(huán)中使用相變熱傳遞，以實現(xiàn)顯著高于銅或鋁的有效熱導率。這些技術今天已經(jīng)廣泛使用，但仍然面臨著相同的挑戰(zhàn)，即它們被實施到必須通過流動空氣冷卻的散熱器中。冷卻的下一個進展是液體冷卻。這可以通過兩種形式實現(xiàn)；通過使用冷板間接冷卻或通過浸入直接冷卻；后者是一種更具異國情調(diào)的形式。

在浸沒式冷卻系統(tǒng)中，設備與介電冷卻劑直接接觸。根據(jù)冷卻劑和配置，浸入式系統(tǒng)可以使用單相或兩相液體運行。兩相浸沒式冷卻在冷卻液浴中的每個設備上都具有恒溫的優(yōu)勢，但與單相系統(tǒng)相比，這些類型的系統(tǒng)實施起來更具挑戰(zhàn)性。浸沒式冷卻需要一個截然不同的數(shù)據(jù)中心環(huán)境，因為幾乎整個機架都必須密封以容納冷卻液。由于這與今天的習慣截然不同，因此需要克服重大障礙才能使浸入式冷卻在經(jīng)濟上可行。無論如何，人們對直接和間接液體冷卻仍然很感興趣。開放計算項目 (OPC) 有兩個項目專注于開發(fā)浸沒和冷板冷卻的標準化解決方案。當今廣泛使用的主流風冷解決方案將無法支持 HPC 和 AI 的未來需求。

異質(zhì)封裝的熱挑戰(zhàn)

從熱傳導的角度來看，大多數(shù)異質(zhì)封裝形式之間幾乎沒有區(qū)別。在高功率封裝中，將芯片或組件堆疊在高功率芯片上的情況并不常見，因此本次討論將僅考慮 2.5D 或 MCM 風格的設計。幾乎所有這些配置都涉及通過封裝頂部的相同基本熱流路徑。從結(jié)開始，熱量通過硅和熱界面材料 (TIM) 傳導，然后進入散熱器，然后消散到系統(tǒng)冷卻解決方案中。然而，用于異構(gòu)集成的許多封裝選項都有自己獨特的工藝和物理特性，由于封裝的翹曲及其對熱界面材料的影響，它們會間接影響熱性能。

 

散熱器

對于大多數(shù)半導體封裝, 散熱器提供熱性能以及保護硅和翹曲控制的優(yōu)勢。但是，在某些情況下，與散熱器蓋相比，直接將硅暴露于系統(tǒng)冷卻解決方案可提供更好的熱性能。當封裝與電阻非常低的 TIM II（封裝和系統(tǒng)散熱器之間的熱界面材料）和高性能散熱器（例如直接液體冷卻）連接時，蓋子內(nèi)的實際熱量傳播非常小。在這種情況下，熱量主要從硅直接向上傳導，因此沿著該熱流路徑去除散熱器和 TIM I 的熱阻可能是有益的。然而，裸露的硅并非沒有自己的挑戰(zhàn)，

考慮到具有高電阻 TIM II 和較低性能散熱器的替代方案，例如簡單的風冷鋁散熱器，散熱器通常會提供熱優(yōu)勢，因為熱量在離開封裝之前會擴散到更大的區(qū)域。系統(tǒng)冷卻解決方案的熱阻越高，封裝內(nèi)的熱量傳播越多。由于熱阻是面積的函數(shù)，因此更大面積的熱傳遞到 TIM II 和散熱器會有效地“降低”它們的電阻。對于異質(zhì)封裝，封裝的總面積通常存在高功率密度差異。因此，這對應于使用散熱器的更多潛在優(yōu)勢。此外，整個封裝的溫度梯度越大，

異構(gòu)封裝還涉及到組件的單個小芯片高度不同的挑戰(zhàn)，這可能是由于制造可變性或僅僅是不同類型的組件（例如小芯片與高帶寬內(nèi)存 (HBM) 模塊）。使用集成的散熱器，它們可以被制造成通過不同的腔深度來補償不同的高度。在考慮堆疊芯片的容差累積時，最關鍵的是在最高功率芯片上保持最小的 TIM 粘合線。因此，散熱器腔在其設計中應考慮到這一點。

 

熱界面材料

對于大多數(shù)高性能計算情況，超過 95% 的設備總功率通過封裝頂部消散到系統(tǒng)級冷卻解決方案中。在一個封裝（不包括 3D）中，沿著這條路徑的唯一組件是硅、熱界面材料和銅（散熱器材料），除了裸露芯片封裝，它只有硅。由于硅是所需的半導體，而銅已經(jīng)是最好的導熱材料之一，因此在材料選擇方面唯一的變量是熱界面材料。盡管熱界面材料的厚度至少比硅和散熱器的厚度小一個數(shù)量級，但它通常會貢獻超過 50% 的沿該路徑的熱阻。

TIM I 的選擇對于大功率封裝至關重要。該材料不僅需要低熱阻，還需要能夠承受封裝在組裝過程中所經(jīng)歷的條件及其使用壽命。當器件在回流或操作期間加熱或冷卻時，由于封裝內(nèi)銅、硅和有機物的熱膨脹系數(shù) (CTE) 不匹配，TIM 將承受相當大的應力。在這些應力循環(huán)期間能夠保持粘附和內(nèi)聚力與其體熱導率同樣重要。獲得這些特性的平衡具有挑戰(zhàn)性，目前最常見的是僅在光譜的相反兩端找到材料。凝膠和油脂型 TIM 由載有導電顆粒的聚合物基體組成，如鋁或銀。這些材料具有較低的彈性模量，但與金屬相比，它們的導熱率仍然較低。金屬焊料 TIM（例如銦）以極高的模量為代價提供非常高的熱導率，這對 TIM 的可加工性和可靠性提出了挑戰(zhàn)。

異構(gòu)封裝為 TIM 提供了獨特的環(huán)境。TIM 不僅可以連接多個組件，還可以根據(jù)封裝連接多種材料類型。此外，與大型單片芯片相比，TIM 承受的應力可能不同。關于 TIM 的異構(gòu)封裝的一個好處是可以在不同的組件上使用不同的 TIM。例如，中央處理器 (CPU) 芯片可以具有高性能 TIM，而低功率 HBM 模塊可以使用粘性 TIM 來減少封裝的翹曲。 TIM 電阻是其界面處的厚度、體熱導率和接觸電阻的函數(shù)。從本質(zhì)上講，異質(zhì)封裝通常非常大，因此這相當于大的 TIM 表面積。與 TIM 的總接觸表面積相比，它的厚度要小幾個數(shù)量級。這意味著材料的體電導率在 TIM 的總熱阻中的作用相對較小。因此，雖然先進的金屬焊接 TIM 相對于聚合物基材料具有極高的熱導率，但在異質(zhì)封裝類型的大表面積上，熱效益只是增加的。此外，由于如此大的封裝的翹曲，這些高模量金屬 TIM 會受到很大的應力。

組件和小芯片組織

熱管理的第一道防線是硅本身。硅具有相對較高的導熱性，在緩解熱點方面表現(xiàn)出色。由于異構(gòu)封裝將功能分解為單個組件，因此失去了大片硅的散熱優(yōu)勢。然而，這實際上有利于熱性能，因為發(fā)熱組件分散開來，從而減少了它們的熱串擾。

熱感知組件或小芯片放置為封裝的熱優(yōu)化提供了重要機會。芯片和封裝設計人員應仔細考慮組件放置的電氣和熱平衡，尤其是在涉及高功率時。在可能的情況下，應將高功率組件分散開，以便在整個封裝區(qū)域更均勻地分配功率。然而，封裝的邊緣和角落在散熱方面存在限制，因此高功率密度不應太靠近周邊。

 

系統(tǒng)集成

在不限制標線尺寸的情況下，異質(zhì)封裝在面積方面可以包括更多的硅。因此，他們的整體體型也趨于增長。如今，超過 70 mm x 70 mm 的 MCM 封裝并不少見。在與 TIM II 和散熱器相關的系統(tǒng)級集成時，這種相對較大的封裝尺寸帶來了挑戰(zhàn)。為了保持 TIM II 界面的足夠熱阻，需要施加壓力。對于大型 MCM 的表面積，需要相當大的力來滿足這一壓力要求。這不僅會在封裝上產(chǎn)生壓力，還會在系統(tǒng)主板上產(chǎn)生壓力。高強度可能需要額外加強主板和/或散熱器安裝硬件，從而推高成本。如果無法對 TIM II 施加足夠的壓力，該設備將遭受熱性能下降的影響。這個問題展示了在大型異構(gòu)封裝中實施散熱器的另一個好處：散熱器和 TIM II 應用的可變性可以通過散熱器進行補償，以實現(xiàn)更一致的熱性能。

 

封裝級熱性能增強的影響

正如前面部分所討論的，隨著系統(tǒng)級冷卻解決方案的進步，封裝對總系統(tǒng)熱阻的貢獻越來越大。有許多選擇可以利用熱增強封裝。在最基本的層面上，封裝熱阻的改進會相應地降低器件的結(jié)溫。半導體器件的一個普遍參考的經(jīng)驗法則是，結(jié)溫每升高 10°C，工作壽命就會減少一半。因此，通過封裝級熱增強來降低結(jié)溫，可以顯著提高器件的理論工作壽命。

或者，熱增強封裝可以在更高的功率下運行，因為系統(tǒng)級冷卻解決方案可以支持額外的熱負載，同時保持相同的結(jié)溫。由于結(jié)溫通常會限制芯片性能，因此這是利用具有改進熱阻的封裝的明確選擇。

增加了一些功能以增強其熱性能的封裝仍然會散發(fā)與原始設計相同的熱量，但結(jié)點和環(huán)境之間的溫差會減小。在系統(tǒng)層面，降低封裝的熱阻有很多好處?？梢栽黾迎h(huán)境或冷卻溶液的環(huán)境溫度，而不是降低結(jié)溫，同時仍保持相同的原始結(jié)溫。就風冷數(shù)據(jù)中心而言，這可以節(jié)省大量成本。

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