热管、盖板、热界面材料（TIM）和微通道冷却正在帮助移除芯片产生的热量。

随着半导体集成度不断提高，需要在更小的空间内完成更多工作，这导致产生的热量更多，必须加以散逸。  

对先进制程节点芯片以及多芯片集成的热管理，直接决定了它们的性能与寿命。虽然目前大量精力放在提升电源效率（从而减缓功耗增长速度）上，但仅靠这一点远远不够。

还需要多种技术来帮助把热量向上、向下或向外导出。好消息是，多个领域都在取得进展。

更多做功 = 更多热量

电路完成工作所需的能量来自电源引脚，但并非所有能量都转化为有效工作，一部分会以热量的形式浪费掉，必须从热源处移除并排到环境中。要让设计成功，散热速率必须与能量消耗速率达到平衡。除了总功耗之外，芯片内部热量产生区域的面积也至关重要——面积越小，功率密度越高，对先进散热方案的需求就越迫切。

“关键在于要从几平方厘米的小面积里带走几十甚至上百瓦的热量，”Promex 首席运营官 Dave Fromm 表示，“单位面积功率已经非常惊人。”

这个问题还在变得更严重。“功率密度在持续攀升，”Amkor 负责芯片级/FCBGA 集成的副总裁 Mike Kelly 说，“铜混合键合（copper hybrid bonding）等技术加剧了这一问题，因为3D堆叠的总功耗仍然集中在同样的x、y占地面积内。”

硅芯片的最大尺寸受光罩场（reticle，26×33mm）限制，但封装没有这种硬性上限。封装尺寸不能随意增大，部分原因是行业此前未出现大批量超大封装的需求，产线尚未做好准备。不过，封装面积增大本身有助于把热量摊开，降低功率密度。

“我们并不是把所有功能都继续塞进固定尺寸的芯片里，”Kelly 指出，“封装尺寸在变大，这让功率密度要么保持稳定，要么上升得更缓慢。这与受光罩限制的硅芯片完全不同。”

但更大的封装也更容易翘曲。“目前常见的封装本体尺寸是60×60mm²，”Amkor 芯片级/FCBGA开发高级总监 YoungDo Kweon 说，“Amkor 已经量产85×85mm²，几年后会突破100×100mm²，这意味着热应力可能大幅增加。”

材料的热导率单位是 W/(m·K)，路径越短热导率越高，因此热传导路径上任何一层越薄越好。

封装内热量如何流动

热量主要产生在有源硅层。随后热量可以：

- 向上：穿过硅衬底背面 → 封装顶部散出（倒装芯片封装最常见路径）

- 向下：通过各种金属互连 → 焊球 → PCB

- 在某些情况下向侧面移动

具体走哪条路径取决于应用场景。

“笔记本电脑通常从芯片背面和主板另一面同时抽热，”Kelly 说，“但在数据中心和高性能计算场景中，向下穿过PCB的热阻非常高，因此95%以上的热量都得从顶部散出。”

散热器与材质选择

高功率封装多年来一直使用铜或铝制散热器（部分带风扇）。金属选择取决于散热器之后热量去向：

- 铝吸热后温度升得更快，温差更大，与空气换热效率更高。

- 铜比热容更高，相同体积下温度变化更慢，更适合把热量传导给下一个固体散热结构，而不适合直接对空气散热。

如果算力负载呈“短时爆发+长时间空闲”特征，铜+风扇也更具优势，能更好地平滑温度峰值。

热点（Hot Spot）问题

芯片局部热点是另一大挑战。与其把整个封装的散热能力设计得足以同时应对所有热点，不如用热扩散器（heat spreader）把热量在封装内部平均开。传统金属扩散器可以是独立的金属块，也可以是与芯片热连接的金属盖。

“最好的热扩散方式是高效地垂直导出热量，”Kelly 说，“如果顶部散热做得足够好，热点根本来不及变热并横向扩散。”

图1 ：导热界面材料的两种典型应用。TIM I 位于芯片和散热器之间；TIM II 位于散热器（本例中为外壳）和散热片之间。箭头指示散热方向。来源：Amkor

热界面材料（TIM）——当前与未来

连接散热器、扩散器等部件的材料称为热界面材料（TIM），其作用是填满两表面间的微小间隙，排除空气。

传统 TIM 多为聚合物，导热性能差，需掺入碳、石墨、金属颗粒或金刚石等高导热填料。即使如此，TIM 层仍应尽量薄。目前100W左右的封装还能应付，但未来1000W级芯片将对现有材料构成巨大挑战。

金属 TIM（尤其是铟合金）正在进入实用阶段，导热率大幅提升。Amkor 测试显示，换用铟合金 TIM 可将结温降低10℃以上。“聚合物 TIM 下每升高10℃，芯片寿命通常减半，”Kweon 说，“现在很多超过400W的芯片，客户都要求使用金属 TIM。”

图2 ：采用金属导热界面材料的模压 FCBGA。来源：Amkor

系统级冷却方案

- 风冷极限：封装功耗达到800–1200W时，风冷基本失效，必须转向液冷。

- 单相液冷：冷板/冷管直接接触封装或芯片背面。

- 两相沸腾流冷却：更先进，利用液体→蒸汽相变带走大量热量。

- 浸没式液冷：整个系统浸入流动的介电液中，散热效率极高，但成本与复杂性也最高。

空间受限时的方案

1. 均热板（Vapor Chamber）

   密封腔体内含有少量工质，热侧蒸发、冷侧冷凝，可将局部热点快速摊平到更大面积。目前越来越多高性能封装采用“均热板+冷板”组合。

2. 热管（Heat Pipe） 

   广泛用于笔记本、手机，把热量从CPU/GPU传到机身边缘再用风扇带走，无需泵，体积小。

无盖（Lidless）封装与直接液冷

去掉金属盖可让芯片背面裸露，便于采用喷射冲击（impingement）等直接液冷技术，热阻极低。但无盖封装在测试和搬运中容易受机械损伤，因此常需在基板边缘加刚性环（stiffener）防翘曲。

微流道冷却（Microfluidics）

在硅芯片或中介层内直接加工微通道，让冷却液从芯片内部带走热量，对3D堆叠中间层芯片尤其有效。目前多为单相，行业正努力将两相微流道推向商用。

向下传热到PCB的路径

- 通过底部焊球、介电附着层（die attach）、内部互连

- 使用高导热共晶合金（如金锡 60 W/mK）或烧结银（70–150 W/mK）可显著改善向下散热

- 未来可能出现高导热陶瓷基板取代有机基板

侧向散热：模塑FCBGA（Molded FCBGA）

在堆叠芯片周围填充高导热模塑料，取代原本的空气，大幅改善侧向散热路径，尤其对被“夹心”的中间芯片有益，同时还能降低先进节点（如2nm）芯片的热机械应力。

图3 ：模塑成型的 FCBGA。模塑材料取代了封装内的空气，改善了侧向散热路径。来源：Bryon Moyer/半导体工程

总结

芯片和封装产生的热量越来越多，可用的散热技术也在快速增加：金属TIM、均热板、热管、浸没液冷、微流道、模塑封装……各种方案将以不同组合逐步演进。  

越早从架构阶段（甚至RTL阶段）开始考虑热设计，越容易在最后取得最佳热性能与成本平衡。  

数据中心可以接受昂贵的极端方案，而笔记本、边缘设备仍必须在成本与散热效率之间精打细算。

散热，依然是半导体行业未来十年最关键的挑战之一。

文章来源：Semiconductor Engineering，原标题：Cooling Chips Still A Top Challenge，作者：Bryon Moyer