3D封裝散熱設(shè)計策略分析

李振華+楊寧

摘要：3D封裝技術(shù)由于其在較小的封裝體內(nèi)堆疊多個芯片，提高了封裝密度、降低了封裝成本，但是也帶了其嚴重的散熱問題，如何解決3D封裝帶來的高散熱成為了3D封裝面臨的一大挑戰(zhàn)。本文以3D封裝的散熱問題為切入點，總結(jié)出3D封裝的散熱問題主要原因在于發(fā)熱密度增加、熱耦合增強、散熱不量與散熱設(shè)計難四個方面，并分析目前的熱處理技術(shù)，從結(jié)構(gòu)設(shè)計、特殊材料、增加輔件、降溫技術(shù)四方面提出了3D封裝散熱的設(shè)計策略，以期為3D封裝的散熱設(shè)計提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：3D封裝技術(shù)；散熱設(shè)計；熱處理技術(shù)；設(shè)計策略

3D封裝技術(shù)，即立體封裝技術(shù)，就是把芯片一片片疊合起來，在X-Y平面的二維封裝的基礎(chǔ)上，在Z方向垂直互連，是一種三維空間的高密度封裝技術(shù)，提高了封裝密度、降低了封裝成本。采用3D封裝的芯片功耗低、速度快，減少了芯片間互連導(dǎo)線長度，通過芯片堆疊或封裝堆疊的方式實現(xiàn)了器件功能的增加，提高了器件的運行速度，使得電子信息產(chǎn)品的尺寸與重量減少數(shù)十倍。雖然，3D封裝可有效的縮減封裝面積與進行系統(tǒng)整合，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且散熱設(shè)計及可靠性控制都比2D芯片封裝更具挑戰(zhàn)性。

1.3D封裝的散熱問題

3D封裝結(jié)構(gòu)通常由封裝內(nèi)、封裝外的裸芯片堆疊兩種方式實現(xiàn)。由于芯片堆疊后發(fā)熱量增加，但散熱面積并未相對地增加，導(dǎo)致散熱設(shè)計成為了3D封裝設(shè)計的一個關(guān)鍵性因素。芯片的熱阻分為外熱阻與內(nèi)熱阻。外熱阻是封裝外盒與環(huán)境之間的熱阻，主導(dǎo)傳熱方式為熱對流，熱量傳導(dǎo)到封裝外表面，通過對流與輻射方式耗散到環(huán)境中。內(nèi)熱阻是器件節(jié)溫到外殼的熱阻，主導(dǎo)傳熱方式為熱傳導(dǎo)，熱量由器件節(jié)溫傳導(dǎo)到外殼的外表面。3D封裝整體的總熱阻由內(nèi)熱阻、接觸熱阻、外熱阻構(gòu)成。3D封裝將多個芯片堆疊在一個較小的封裝體內(nèi)，其散熱問題主要原因在四個方面，分別是1）發(fā)熱密度增加：芯片堆疊后發(fā)熱量將增加，但是相對而言其散熱面積卻并未增加，導(dǎo)致發(fā)熱密度增加；2）熱耦合增強：多芯片封裝雖然保有獨立芯片的散熱面積，但是封裝機構(gòu)導(dǎo)致熱源相互連接，熱耦合現(xiàn)象增強；3）散熱不良：內(nèi)埋置基板中的無源器件的發(fā)熱問題，由于有機或陶瓷基板散熱不良，產(chǎn)生了嚴重的熱問題；4）散熱設(shè)計難：封裝體積縮小，組裝密度增加，使得散熱設(shè)計不易進行。

2.3D封裝的熱處理技術(shù)

3D技術(shù)主要從系統(tǒng)設(shè)計級與封裝級進行熱處理。在系統(tǒng)級進行熱處理時，可以將熱能均勻分布在3D元器件的表面，采用金剛石或化學(xué)氣相沉積金剛石的低熱阻基板，也可以采用強制風(fēng)冷或冷卻液來降低3D元器件的溫度，或采用一種導(dǎo)熱膠并在疊層元器件間形成熱通孔從疊層內(nèi)部排到其表面。隨著電路密度的增加，散熱處理更為復(fù)雜。3D封裝級的TSV技術(shù)實現(xiàn)了芯片之間的面互連，開發(fā)了帶有溫度傳感器的微通道熱沉法、導(dǎo)熱柱法、微管液態(tài)冷法。為解決3D封裝的散熱問題，各生產(chǎn)制造商與科研機構(gòu)相繼開發(fā)了不同的低溫鍵合技術(shù)，如自組裝單層鍵合、表面活化鍵合、Cu-Cu鍵合、插入式低溫鍵合、超聲鍵合、納米熱壓低溫鍵合等，其原理及優(yōu)點如表1所示。在封裝外殼散熱技術(shù)方面，也在逐漸研發(fā)新的散熱方式，如半導(dǎo)體制冷器、微型熱聲制冷器、超威冷凍機、芯片級散熱等。

3.3D封裝的散熱設(shè)計策略

3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計：優(yōu)化熱量分布

根據(jù)各部分芯片的發(fā)熱量建立芯片整體的熱力學(xué)模型，通過熱力學(xué)分析軟件對芯片整體進行熱力學(xué)模擬分析，找出芯片的熱傳導(dǎo)途徑并計算熱通量，對芯片內(nèi)部的器件在空間位置上進行合理調(diào)整，使芯片整體具有最佳的散熱效果。例如，圖1 為三芯片堆疊熱阻模型，可以通過對熱阻網(wǎng)絡(luò)模型的仿真分析影響3D封裝散熱效果的關(guān)鍵因素，采用散熱過孔的拓撲優(yōu)化與參數(shù)優(yōu)化來獲得最佳的散熱效果。

3.2特殊材料：增強散熱效率

采用低熱阻成型材料，提高其熱導(dǎo)率，可以加快芯片內(nèi)部的熱量釋放，從而改進散熱效果。與其它電子材料相比，CVD金剛石材料具有無可比擬的高導(dǎo)熱率，可以將CVD金剛石材料作為裸片之間的中間層。在芯片封裝的成型環(huán)節(jié)，一般采用塑料封裝或陶瓷封裝，可以采用金屬封裝起到加快散熱、物理保護、電磁屏蔽的多重作用。

3.3增加輔件：增強散熱效果

增加高導(dǎo)熱的芯片外圍散熱輔助器件，如加裝銅散熱板、鋁封裝蓋，或使用低熱阻的PCB板作為導(dǎo)熱介質(zhì)使用，可以達到為MOS管或板載芯片散熱的目的。

3.4冷卻技術(shù)：起到降溫效果

利用冷卻技術(shù)，能起到降溫效果。常見的冷卻方式有3類：1）風(fēng)冷，如使用風(fēng)扇冷卻或微噴制冷器，前者結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但噪聲大、換熱系數(shù)低，后者換熱效率一般；2）液冷，如使用熱管、微通道冷卻，前者響應(yīng)時間短，但是存在一定的換熱極限，后者換熱性能好，易于集成，但是需要額外的泵功；3）固體制冷，如熱電制冷或熱離子冷卻，前者結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，但是受限于材料，后者熱慣性小、響應(yīng)時間短，但是受限于材料。

4.結(jié)語

如何解決3D封裝帶來的高散熱成為了3D封裝面臨的挑戰(zhàn)。在3D封裝散熱的實際設(shè)計中，要綜合運用多種手段來提高3D封裝散熱設(shè)計的合理性與有效性。例如，合理選擇器件的結(jié)構(gòu)、鍵合等工藝來設(shè)計獨立器件，降低材料之間的熱不匹配性，在表面貼裝過程中對疊裝器件之間的空隙可采用在器件底部設(shè)置裸露的散熱墊，也可以局部去除基板敷銅層及開散熱孔建立合理有效的低熱阻通道，實現(xiàn)快速散熱的目的。本文以3D封裝的散熱問題為切入點，總結(jié)出3D封裝的散熱問題的主要原因在于發(fā)熱密度增加、熱耦合增強、散熱不量與散熱設(shè)計難四個方面，并分析了目前的熱處理技術(shù)，從結(jié)構(gòu)設(shè)計、特殊材料、增加輔件、降溫技術(shù)四方面提出了3D封裝散熱的設(shè)計策略，研究以期能為3D封裝的散熱設(shè)計提供一定的參考。endprint