半導(dǎo)體封裝新技術(shù)應(yīng)對(duì)芯片的散熱問(wèn)題

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體芯片，TIM熱界面材料，散熱技術(shù)，導(dǎo)電材料，膠粘技術(shù)

摘要：一些過(guò)熱的晶體管可能不會(huì)對(duì)可靠性產(chǎn)生很大影響，但數(shù)十億個(gè)晶體管產(chǎn)生的熱量會(huì)影響可靠性。對(duì)于 AI/ML/DL 設(shè)計(jì)尤其如此，高利用率會(huì)增加散熱，但熱密度會(huì)影響每個(gè)先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)芯片和封裝，這些芯片和封裝用于智能手機(jī)、服務(wù)器芯片、AR/VR 和許多其他高性能設(shè)備。對(duì)于所有這些，DRAM布局和性能現(xiàn)在是首要的設(shè)計(jì)考慮因素。無(wú)論架構(gòu)多么新穎，大多數(shù)基于 DRAM 的內(nèi)存仍面臨因過(guò)熱而導(dǎo)致性能下降的風(fēng)險(xiǎn)。易失性內(nèi)存的刷新要求（作為標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)，大約每 64 毫秒一次）加劇了風(fēng)險(xiǎn)?！爱?dāng)溫度提高到 85°C 以上時(shí)，就需要更頻繁地刷新電容器上的電荷，設(shè)備就將轉(zhuǎn)向更頻繁的刷新周期，這就是為什么當(dāng)設(shè)備變得越來(lái)越熱，電荷從這些電容器中泄漏得更快的原因。不幸的是，刷新該電荷的操作也是電流密集型操作，它會(huì)在 DRAM 內(nèi)部產(chǎn)生熱量。天氣越熱，你就越需要更新它，但你會(huì)繼續(xù)讓它變得更熱，整個(gè)事情就會(huì)分崩離析。

除了DRAM，熱量管理對(duì)于越來(lái)越多的芯片變得至關(guān)重要，它是越來(lái)越多的相互關(guān)聯(lián)的因素之一，必須在整個(gè)開(kāi)發(fā)流程中加以考慮，封裝行業(yè)也在尋找方法解決散熱問(wèn)題。選擇最佳封裝并在其中集成芯片對(duì)性能至關(guān)重要。組件、硅、TSV、銅柱等都具有不同的熱膨脹系數(shù) (TCE)，這會(huì)影響組裝良率和長(zhǎng)期可靠性。帶有 CPU 和 HBM 的流行倒裝芯片 BGA 封裝目前約為 2500mm2。一個(gè)大芯片可能變成四五個(gè)小芯片，總的來(lái)說(shuō)，這一趨勢(shì)會(huì)持續(xù)發(fā)展下去，因?yàn)楸仨殦碛兴?I/O，這樣這些芯片才能相互通信。所以可以分散熱量。對(duì)于應(yīng)用程序，這可能會(huì)對(duì)您有所一些幫助。但其中一些補(bǔ)償是因?yàn)槟悻F(xiàn)在有 I/O 在芯片之間驅(qū)動(dòng)，而過(guò)去你在硅片中需要一個(gè)內(nèi)部總線來(lái)進(jìn)行通信。最終，這變成了一個(gè)系統(tǒng)挑戰(zhàn)，一系列復(fù)雜的權(quán)衡只能在系統(tǒng)級(jí)別處理。可以通過(guò)先進(jìn)的封裝實(shí)現(xiàn)很多新事物，但現(xiàn)在設(shè)計(jì)要復(fù)雜得多，當(dāng)一切都如此緊密地結(jié)合在一起時(shí)，交互會(huì)變多。必須檢查流量。必須檢查配電。這使得設(shè)計(jì)這樣的系統(tǒng)變得非常困難。事實(shí)上，有些設(shè)備非常復(fù)雜，很難輕易更換組件以便為特定領(lǐng)域的應(yīng)用程序定制這些設(shè)備。這就是為什么許多高級(jí)封裝產(chǎn)品適用于大批量或價(jià)格彈性的組件，例如服務(wù)器芯片。對(duì)具有增強(qiáng)散熱性能的制造工藝的材料需求一直在強(qiáng)勁增長(zhǎng)。

一

Chiplet模塊仿真與測(cè)試進(jìn)展

工程師們正在尋找新的方法來(lái)在封裝模塊構(gòu)建之前對(duì)封裝可靠性進(jìn)行熱分析。例如，西門(mén)子提供了一個(gè)基于雙 ASIC 的模塊的示例，該模塊包含一個(gè)扇出再分布層 (RDL)，該扇出再分配層 (RDL) 安裝在 BGA 封裝中的多層有機(jī)基板頂部。它使用了兩種模型，一種用于基于 RDL 的 WLP，另一種用于多層有機(jī)基板 BGA。這些封裝模型是參數(shù)化的，包括在引入 EDA 信息之前的襯底層堆疊和 BGA，并支持早期材料評(píng)估和芯片放置選擇。接下來(lái)，導(dǎo)入 EDA 數(shù)據(jù)，對(duì)于每個(gè)模型，材料圖可以對(duì)所有層中的銅分布進(jìn)行詳細(xì)的熱描述。

二

量化熱阻

如何通過(guò)硅芯片、電路板、膠水、TIM 或封裝蓋傳遞是眾所周知的。存在標(biāo)準(zhǔn)方法來(lái)跟蹤每個(gè)界面處的溫度和電阻值，它們是溫差和功率的函數(shù)。“熱路徑由三個(gè)關(guān)鍵值來(lái)量化——從器件結(jié)到環(huán)境的熱阻、從結(jié)到外殼（封裝頂部）的熱阻以及從結(jié)到電路板的熱阻，”詳細(xì)的熱模擬是探索材料和配置選項(xiàng)的最便宜的方法?！斑\(yùn)行芯片的模擬通常會(huì)識(shí)別一個(gè)或多個(gè)熱點(diǎn)，因此我們可以在熱點(diǎn)下方的基板中添加銅以幫助散熱或更換蓋子材料并添加散熱器等。對(duì)于多個(gè)芯片封裝，我們可以更改配置或考慮采用新方法來(lái)防止熱串?dāng)_。有幾種方法可以優(yōu)化高可靠性和熱性能，”在模擬之后，包裝公司執(zhí)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) (DOE) 以達(dá)到最終的包裝配置。但由于使用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的測(cè)試車(chē)輛的 DOE 步驟耗時(shí)且成本更高，因此首先利用仿真。

三

選擇TIM新材料

在封裝中，超過(guò) 90% 的熱量通過(guò)封裝從芯片頂部散發(fā)到散熱器，通常是帶有垂直鰭片的陽(yáng)極氧化鋁基。具有高導(dǎo)熱性的熱界面材料 (TIM) 放置在芯片和封裝之間，以幫助傳遞熱量。用于 CPU 的下一代 TIM 包括金屬薄板合金（如銦和錫）和銀燒結(jié)錫，其傳導(dǎo)功率分別為 60W/mK 和 50W/mK。隨著公司從大型 SoC 過(guò)渡到小芯片模塊，需要更多種類(lèi)的具有不同特性和厚度的 TIM。Amkor 研發(fā)高級(jí)總監(jiān) YoungDo Kweon 在最近的一次演講中表示，對(duì)于高密度系統(tǒng)，芯片和封裝之間的 TIM 的熱阻對(duì)封裝模塊的整體熱阻具有更大的影響?！肮β授厔?shì)正在急劇增加，尤其是在邏輯方面，因此我們關(guān)心保持低結(jié)溫以確?？煽康陌雽?dǎo)體運(yùn)行，”Kweon 說(shuō)。他補(bǔ)充說(shuō)，雖然 TIM 供應(yīng)商為其材料提供熱阻值，但從芯片到封裝的熱阻，在實(shí)踐中，受組裝過(guò)程本身的影響，包括芯片和 TIM 之間的鍵合質(zhì)量以及接觸區(qū)域。他指出，在受控環(huán)境中使用實(shí)際裝配工具和粘合材料進(jìn)行測(cè)試對(duì)于了解實(shí)際熱性能和為客戶資格選擇最佳 TIM 至關(guān)重要?？锥词且粋€(gè)特殊的問(wèn)題?！安牧显诜庋b中的表現(xiàn)方式是一個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。你已經(jīng)掌握了粘合劑或膠水的材料特性，材料實(shí)際潤(rùn)濕表面的方式會(huì)影響材料呈現(xiàn)的整體熱阻，即接觸電阻，”西門(mén)子的 Parry 說(shuō)?！岸疫@在很大程度上取決于材料如何流入表面上非常小的缺陷。如果缺陷沒(méi)有被膠水填充，它代表了對(duì)熱流的額外阻力?！?/p>

四

用不同的方式處理熱量

芯片制造商正在擴(kuò)大解決熱量限制的范圍?！叭绻銣p小芯片的尺寸，它可能是四分之一的面積，但封裝可能是一樣的。是德科技內(nèi)存解決方案項(xiàng)目經(jīng)理 Randy White 表示，由于外部封裝的鍵合線進(jìn)入芯片，因此可能存在一些信號(hào)完整性差異?！半娋€更長(zhǎng)，電感更大，所以有電氣部分。如果將芯片的面積減半，它會(huì)更快。如何在足夠小的空間內(nèi)消散這么多的能量？這是另一個(gè)必須研究的關(guān)鍵參數(shù)?！?/span>

這導(dǎo)致了對(duì)前沿鍵合研究的大量投資，至少目前，重點(diǎn)似乎是混合鍵合。“如果我有這兩個(gè)芯片，并且它們之間幾乎沒(méi)有凸起，那么這些芯片之間就會(huì)有氣隙，”Rambus 的 Woo 說(shuō)。“這不是將熱量上下移動(dòng)的最佳導(dǎo)熱方式。可能會(huì)用一些東西來(lái)填充氣隙，但即便如此，它還是不如直接硅接觸好。因此，混合直接鍵合是人們正在做的一件事?！钡旌湘I合成本高昂，并且可能仍僅限于高性能處理器類(lèi)型的應(yīng)用，臺(tái)積電是目前僅有的提供該技術(shù)的公司之一。盡管如此，將光子學(xué)結(jié)合到 CMOS 芯片或硅上 GaN 的前景仍然巨大。

五

結(jié)語(yǔ)

先進(jìn)封裝背后的最初想法是它可以像樂(lè)高積木一樣工作——在不同工藝節(jié)點(diǎn)開(kāi)發(fā)的小芯片可以組裝在一起，并且可以減少熱問(wèn)題。但也有取舍。從性能和功率的角度來(lái)看，信號(hào)需要傳輸?shù)木嚯x很重要，而始終開(kāi)啟或需要保持部分關(guān)斷的電路會(huì)影響熱性能。僅僅為了提高產(chǎn)量和靈活性而將模具分成多個(gè)部分并不像看起來(lái)那么簡(jiǎn)單。封裝中的每個(gè)互連都必須進(jìn)行優(yōu)化，熱點(diǎn)不再局限于單個(gè)芯片。

可用于排除或排除小芯片不同組合的早期建模工具為復(fù)雜模塊的設(shè)計(jì)人員提供了巨大的推動(dòng)力。在這個(gè)功率密度不斷提高的時(shí)代，熱仿真和引入新的 TIM 仍然必不可少。

來(lái)源：半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫/熱設(shè)計(jì)