3D封裝熱設(shè)計(jì)：挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，芯片封裝技術(shù)也在持續(xù)進(jìn)步。目前，2D封裝和3D封裝是兩種主流的封裝技術(shù)。這兩種封裝技術(shù)在散熱路徑和熱設(shè)計(jì)方面有著各自的特點(diǎn)和挑戰(zhàn)。本文將深入探討2D封裝和3D封裝的散熱路徑及熱設(shè)計(jì)考慮。

一、2D封裝的散熱路徑與熱設(shè)計(jì)

2D封裝是一種傳統(tǒng)的芯片封裝方式，其中芯片的主熱量方向是向上，即Top面/Case面。在2D封裝中，散熱路徑相對(duì)簡(jiǎn)單明了。

散熱路徑：

芯片產(chǎn)生的熱量主要通過封裝內(nèi)Die和封裝外殼（Lid）之間的導(dǎo)熱材料（TIM1）向上傳導(dǎo)。

熱量最終通過封裝外殼散發(fā)到外部環(huán)境中。

熱設(shè)計(jì)考慮：

降低界面熱阻（RTIM）：界面熱阻是影響2D封裝散熱性能的關(guān)鍵因素之一。為了降低界面熱阻，可以采用高性能的導(dǎo)熱材料，并優(yōu)化導(dǎo)熱材料與芯片和封裝外殼之間的接觸面積和接觸壓力。

減少Lid產(chǎn)生的熱阻：封裝外殼（Lid）在散熱過程中會(huì)產(chǎn)生一定的熱阻。為了優(yōu)化散熱性能，可以考慮采用更輕、更薄且導(dǎo)熱性能更好的材料來制作Lid，或者通過改進(jìn)Lid的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來減少熱阻。

低功耗設(shè)計(jì)和布局優(yōu)化：除了從散熱路徑上進(jìn)行優(yōu)化外，還可以通過低功耗設(shè)計(jì)和布局優(yōu)化來降低芯片的發(fā)熱量。例如，可以優(yōu)化電路的功耗分布，盡量使熱量在芯片空間內(nèi)均勻分布，從而降低局部熱點(diǎn)溫度。

二、3D封裝的散熱路徑與熱設(shè)計(jì)

相比于2D封裝，3D封裝通過將多個(gè)芯片堆疊在一起，實(shí)現(xiàn)了更高的集成度和更小的體積。然而，這也帶來了更為復(fù)雜的散熱問題。

散熱路徑：

在3D封裝中，芯片Die是堆疊的，因此熱量需要通過多個(gè)Die進(jìn)行傳導(dǎo)。具體來說，第n個(gè)Die產(chǎn)生的熱量將通過N-1個(gè)Die傳導(dǎo)到位于芯片組中最后上面一個(gè)Die頂部的散熱器或冷板。

熱量最終通過散熱器或冷板散發(fā)到外部環(huán)境中。

熱設(shè)計(jì)考慮：

降低芯片自身的熱阻（Rchip）：由于3D封裝中芯片是堆疊的，因此需要關(guān)注每個(gè)芯片自身的熱阻。可以通過優(yōu)化芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、材料和工藝來降低熱阻。

降低界面熱阻（RTIM）：與2D封裝類似，界面熱阻也是影響3D封裝散熱性能的關(guān)鍵因素之一。除了采用高性能的導(dǎo)熱材料和優(yōu)化接觸面積及壓力外，還可以考慮在芯片之間引入高導(dǎo)熱系數(shù)的材料（如銅）來構(gòu)建高導(dǎo)熱通路。

減少Lid產(chǎn)生的熱阻：如果3D封裝中使用了Lid，同樣需要考慮減少其產(chǎn)生的熱阻?？梢圆捎门c2D封裝類似的優(yōu)化方法。

利用熱電結(jié)合優(yōu)化設(shè)計(jì)和基于TSV的多層堆疊芯片熱設(shè)計(jì)：通過規(guī)劃集成電路的功耗分布和優(yōu)化布局來使熱量在芯片空間內(nèi)均勻分布；同時(shí)，利用三維集成電路中的高導(dǎo)熱系數(shù)材料（如銅）構(gòu)建高導(dǎo)熱通路，實(shí)現(xiàn)熱量在熱點(diǎn)和熱沉之間的高效傳導(dǎo)。

考慮微流道冷卻技術(shù)：這是一種前沿的散熱方法，通過在硅襯底中刻蝕形成微流道來實(shí)現(xiàn)各層熱量的層內(nèi)散逸。這種方法可以大大縮短熱量從熱點(diǎn)到達(dá)熱沉的距離并降低散熱熱阻，但也需要考慮其設(shè)計(jì)復(fù)雜度和可靠性問題。

三、總結(jié)

2D封裝和3D封裝在散熱路徑和熱設(shè)計(jì)方面有著各自的特點(diǎn)和挑戰(zhàn)。2D封裝的散熱路徑相對(duì)簡(jiǎn)單明了，主要通過導(dǎo)熱材料將熱量向上傳導(dǎo)至封裝外殼；而3D封裝則面臨著更為復(fù)雜的散熱問題，需要通過多個(gè)堆疊的芯片進(jìn)行熱量傳導(dǎo)。在熱設(shè)計(jì)方面，兩種封裝都需要考慮降低界面熱阻、減少Lid產(chǎn)生的熱阻以及通過低功耗設(shè)計(jì)和布局優(yōu)化來降低發(fā)熱量；而針對(duì)3D封裝的特點(diǎn)，還需要特別關(guān)注降低芯片自身的熱阻和利用高導(dǎo)熱通路等方法來優(yōu)化散熱性能。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，未來將有更多創(chuàng)新的散熱技術(shù)和方法應(yīng)用于2D封裝和3D封裝中，以滿足不斷增長(zhǎng)的高性能計(jì)算需求。