冷却键合、微流体和工程TIMs有助于散热。
随着行业转向3D包装，并继续扩展数字逻辑，不断增加的热挑战正在推动研发的极限。
在太小的空间里储存太多热量的基本物理现象会导致一些切实的问题，比如消费品太热而无法容纳。然而，更糟糕的是功率和可靠性的损失，因为过热的DRAM必须不断刷新，而在汽车等高热行业，芯片的压力会更大。
“在理想的情况下，你的模具应该是用铜制成的，你的基底应该是100%的铜，”内森·惠特彻奇说公司．“但即使你可以，你也不会得到更好的性能，因为其他一些限制因素。”
热问题正在成为2.5D和3D封装的早期设计和包装决策。“散热是我们必须考虑的关键问题之一，无论是在内存逻辑上，还是在逻辑逻辑堆叠上。日月光半导体．
随着行业寻求解决方案，微流体和热界面材料(TIMs)是关键的发展领域。前者正在取得突破。后者正在逐步改善。为了去除热量，可以将液体冷却器直接连接到芯片上，也可以在芯片中内置通道。在TIM方面，烧结银环氧树脂正在获得使用。
微流体技术可能很快就会投入生产。“我敢打赌，微流体将开始出现在超奇异的地方，特别是如果你开始堆叠高性能逻辑，”Rob Aitken说Synopsys对此．“如果你不采取任何冷却措施，那么你的堆叠逻辑就会被限制在单个芯片的热耗散上。有一个巨大的经济推动力来解决这些问题。考虑到这一点，再考虑到人们的创造力，我敢打赌，有人会以某种聪明的方式解决这个问题。”
微流体的现状
在过去的40年里，商业微流体技术已经指日可待。1981年，塔克曼和皮斯在一篇现已成为经典的论文中首次描述了将液体嵌入微/纳米级通道以冷却半导体的想法。1从那以后，人们尝试了各种各样的方法，现在一些项目在冷却方面显示出了真实而实用的前景。
两年前，瑞士洛桑École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)的一个小组展示了一个原型，该原型将冷却液尽可能地靠近热源。该设计是一个经常被讨论的微流体目标的工作版本——直接在芯片内集成通道，而不是依赖于TIMs或键合，后者由于可靠性问题使商业市场不安。
瑞士团队克服了这些挑战，用他们的论文语言来说，“一种整体集成的流形微通道冷却结构，可以使用每平方厘米0.57瓦的泵浦功率提取超过1.7千瓦每平方厘米的热通量。”2
这篇论文吸引了投资者的兴趣，他们的想法从实验室发展成了一家初创公司。这本书的第一作者雷姆科·凡·厄普和他的EPFL教授埃里森·马蒂利以及首席运营官山姆·哈里森共同创立了一家名为科林斯的公司，3.该公司已经获得了瑞士政府的资金，用于开发他们的创新的商业版本。
“从热的角度来看，科林蒂斯的方法是一个非常有趣的冷却解决方案，因为冷却剂可以尽可能地接近热源的位置，并且在这种配置中可以消除几个热障，”该公司的主要技术人员Herman Oprins说imec．但他提醒说，商业应用并不是必然的。“这是一种颠覆性的冷却解决方案，需要在流道结构和电子设备之间进行紧密的协同设计，以实现这种冷却方法的全部潜力。它非常适合具有非常高功率密度的具有挑战性的应用，例如论文中所示的功率棒结构。对于CMOS应用，当功率密度在数百W/cm²范围内时，可以使用具有数百μ m更宽松通道直径的独立冷却块。”
三年前，Imec公司推出了自己的微流体原型。该公司的新闻稿将其概念描述为“将硅微通道散热器组装到高性能芯片上，用于冷却后者。”在泵功率低于2W的情况下，总热阻为0.34K/W至0.28K/W。”4
“我们有两种主要类型的原型，”Oprins解释道。“一种是硅微通道冷却器。在那里，主要的发展是低热阻与芯片的结合。第二种是使用复杂形状的3D打印冷却几何图形在芯片上进行直接液体冷却。”
据Oprins称，虽然imec的努力尚未商业化，但一些公司已经提供了类似的设计。
在描述imec原型的起源时，Oprins说:“我们利用我们在晶圆到晶圆键合方面的知识，将冷却器与芯片结合在一起，其热阻非常低，小于1毫米2- k / W。因此，我们可以不使用热界面材料，而是使用聚变键合、氧化物键合或金属键合。半导体加工的主要优势是可以在非常细的线上有严格的公差。”
奥普林斯指出了几个问题。他说:“为了保证包装的机械完整性，你需要用加劲环来弥补没有盖子的缺陷。”“如果你把通道做得太小，你需要推动冷却剂通过的压降就会太高。液体的体积是有限的。”
然而，他指出，虽然更高的压力是一个潜在的缺点，但它并不是一个表演的障碍。“采用速度慢的主要原因是可靠性问题(泄漏)、维护需求和系统复杂性。”
图1所示。各种冷却方法。来源:Imec
Oprins将目前和拟议的液冷商业方法分为四种不同的类型:
除了这项工作，Sam Sadri，高级工艺工程师QP技术该公司最近展示了一个内部冷却装置的原型。它使用3D技术制作，由陶瓷氧化铝制成，使用厚膜技术进行顶部金属化，上面将附着几个SiC fet。
氧化铝已经是一种氧化物(Al2O3.)，铜很容易氧化，所以两种氧化物结合在一起，这就是这种界面的形成方式，”Sadri解释道。“这是迄今为止用陶瓷制造电源模块最便宜的方法。有办法进一步降低成本。隔离金属基板(IMS)基本上类似于任何PCB制造技术，但它使用重铜。虽然大多数PCB铜含有0.25至0.5盎司的铜，但这接近3或4盎司。这就是我所看到的，在同样的占地面积下，它比氧化铝更具成本效益。”
原型的尺寸大约是4″x 2½“x¾”深。虽然它比典型的衬底更厚，但这种矩形结构的特殊之处在于它有通道，可以一直穿透，在其较短的一侧有出口孔。萨德里说:“这是我见过的最酷的电力产品之一。”“当你将其通电至全负载循环时，模块会释放大量热量。你如何摆脱炎热?将冷却剂(如冷空气、氮气、冷却剂或其他冷物质)送入管道。随着它的运行，它也在冷却。”
改善蒂姆
如上所示，螺栓式冷却器和直接连接式冷却器都使用TIMs来优化芯片和冷却器之间的热传导，就像许多其他配置一样。根据最近对冷却系统的回顾，TIMs使用各种各样的材料，包括“热润滑脂，间隙填料，绝缘硬件材料，热垫和薄膜，石墨垫和薄膜，热带，相变材料和热环氧树脂[以及]导热陶瓷，例如氧化铝，氮化铝和氧化铍”。5
然而，许多TIMs并不像它们的广泛使用所显示的那样有效。Oprins说:“随着液体冷却性能的提高，热界面材料成为一个重要的热瓶颈。”“系统集成商对如何用性能更好的材料取代TIMs以及可靠性风险有很多疑问。”
挑战在于发现一种材料，它具有非常高的导热性，同时又非常柔韧和柔软，这样它就可以遵循不同组件的拓扑结构。
Oprins解释说:“通常情况下，大多数具有良好导电性的材料也非常坚硬，所以它们不仅不一致，还会增加应力。”“你在寻找一个很难找到的组合。所以不会有单一的材料具有这些特性。研究人员将不得不通过制造复合材料来设计一个。例如，不再像过去那样只使用硅胶膏，现在可以在内部添加导热颗粒来提高热性能。可以是复合的。甚至可能存在碳纳米管或石墨烯片。在这个特定的领域有很多进步。我们从硅酮基材料开始，最终我们将以金属基热界面材料结束，但首先还有很多可靠性问题需要解决。”
鉴于对新材料的迫切需求，Amkor公司的Whitchurch强调，所有工程师都应该尊重材料科学的突破对于解决热问题的重要性，而且要找到灵活、可靠和经济的材料，整个行业还有很长的路要走。
”我们正在探索许多不同的TIMs，它们不再是以聚合物为基础的。”“以前很奇特的东西现在变得不那么奇特了，比如烧结银，在盖子和模具之间最终会形成非常坚硬、高导热系数的银合金基体。另一个例子是较软的金属材料，例如基于铟的材料。镓让人害怕，因为它能和铝反应，所以我们没见过那么多那样的环境。几年前，我们经常谈论相变材料，但随着人们意识到可靠性和其他优势不存在，这种材料似乎已经消失了。我看到的其他东西，比如石墨垫，它们也有一些难以克服的工程挑战。石墨在单一方向上具有很高的导热性，但实际上将其装入封装是一项艰巨的挑战。”
为了消除倒装芯片封装中的功率，Sadri说:“传统上，背面金属化SiC功率FET模具使用焊料(例如AuSn)连接到散热器上。今天，烧结银环氧树脂表现出更好的耐热性，所以人们使用无压(如Atrox)或加压烧结环氧树脂(Argomax)。在倒装芯片场景中，采用镀镍铜设计散热器，散热器与芯片背面的界面上有热界面材料(TIM)。其他创新则是在芯片的后部使用一些导线，然后将导线连接到PCB的接地平面上，以改善散热。铜钨和铜钼是其他类型的散热器，人们喜欢与硅相匹配的CTE，但它们很昂贵。铜仍然是最好的热界面，非常划算。”
另一种方法将完全消除对TIMs的需求，这是imec在微流体方面工作的动机之一。奥普林斯说:“你想要找到替代的冷却解决方案，这样你就可以避免界面材料，这就是我们对液体冷却所做的事情。”“我们想让它更接近芯片，这样我们就可以消除这些材料。我想说这是底线。你要么改进材料，要么抛弃它们。”
结论
这些挑战的结果是，解决热问题日益上升到预算优先事项的列表。惠特彻奇说:“客户经常会惊讶于他们必须在暖气上投入这么多预算。”“但是为了让一揽子计划简单地发挥作用，我们都必须注意，因为最终一个有效的计划要比一个不起作用的计划便宜。我们开始看到很多客户开始意识到这一点，并开始使用我们更先进的工程技术、技能和经验来开发产品，这些产品在10年前是永远不会出现在我的雷达上的。”
然而，改变需要时间。“这个行业非常保守，”奥普林斯说。转换到他们不知道的东西需要很多说服。你所介绍的一切都非常复杂。我理解人们不愿意采用新东西，直到它被证明有效，所有的责任问题都得到解决。尽管如此，还是有很多很棒的想法。我们知道他们还有很多工作要做，我们正在寻找可以帮忙的新人。”
参考文献
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当考虑电子产品的热时，设计师需要评估整个包装。当我在一家层压板制造商工作时，现在我又在PCB制造行业工作了，有一些非常好的FR4替代品可以用来建造多层结构。这些热材料可以在很多方面用于对抗热量，或与重型铜，散热器或其他技术一起工作!