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?！?/p>

　　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 2500mm 2。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?？梢酝ㄟ^(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)。

　　液冷技術(shù)成為最佳選項(xiàng)

　　日前，英偉達(dá)發(fā)布了率先采用直接芯片(Direct-to-Chip)冷卻技術(shù)的數(shù)據(jù)中心 PCIe GPU，為可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)了自己的力量。

　　Equinix 正在驗(yàn)證 A100 80GB PCIe 液冷 GPU 在其數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用，這也是該公司為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性冷卻和熱量捕獲的綜合性方案中的一部分。GPU 現(xiàn)已進(jìn)入試用階段，預(yù)計(jì)將于今年夏季正式發(fā)布。

　　Equinix 是一家全球服務(wù)提供商，旗下管理的數(shù)據(jù)中心超過(guò) 240 個(gè)，致力于在業(yè)內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)氣候中和。

　　Equinix 通過(guò)優(yōu)化電源使用效率 (PUE)，以期減少對(duì)環(huán)境的影響。PUE 是一種行業(yè)指標(biāo)，用于衡量數(shù)據(jù)中心使用的能源有多少直接用于計(jì)算任務(wù)。

　　數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商正試圖將 PUE 降至接近 1.0 的理想水平。Equinix 設(shè)施目前的平均PUE為 1.48，而其旗下新數(shù)據(jù)中心的 PUE 最低可低于 1.2。

　　在單獨(dú)的測(cè)試中，Equinix 和 NVIDIA 均發(fā)現(xiàn)：采用液冷技術(shù)的數(shù)據(jù)中心工作負(fù)載可與風(fēng)冷設(shè)施持平，同時(shí)消耗的能源減少了約 30%。NVIDIA 估計(jì)，液冷數(shù)據(jù)中心的 PUE 可能達(dá)到 1.15，遠(yuǎn)低于風(fēng)冷的 PUE 1.6。

　　在空間相同的條件下，液冷數(shù)據(jù)中心可以實(shí)現(xiàn)雙倍的計(jì)算量。這是由于 A100 GPU 僅使用一個(gè) PCIe 插槽，而風(fēng)冷 A100 GPU 需使用兩個(gè) PCIe 插槽。

　　“這是我們實(shí)驗(yàn)室中引入的首款液冷 GPU，我們倍感興奮，因?yàn)榭蛻羝惹邢Ｍㄟ^(guò)可持續(xù)的方式來(lái)利用 AI?！盓quinix 邊緣基礎(chǔ)設(shè)施主管 Zac Smith說(shuō)道。

　　數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商旨在淘汰用于冷卻數(shù)據(jù)中心內(nèi)部氣體的冷水機(jī)組，因其每年會(huì)蒸發(fā)數(shù)百萬(wàn)加侖的水量。而借助液冷技術(shù)，系統(tǒng)僅需對(duì)封閉系統(tǒng)中的少量液體進(jìn)行循環(huán)利用，并能夠著重于主要的發(fā)熱點(diǎn)。

　　至少有十幾家系統(tǒng)制造商計(jì)劃于今年晚些時(shí)候在其產(chǎn)品中使用液冷 GPU，包括華碩(ASUS)、永擎電子(ASRock Rack)、富士康工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)(Foxconn Industrial Internet)、技嘉科技(GIGABYTE)、新華三(H3C)、浪潮(Inspur)、英業(yè)達(dá)(Inventec)、寧暢(Nettrix)、云達(dá)科技(QCT)、 超微(Supermicro)、 緯穎科技(Wiwynn)和超聚變(xFusion)。

　　液冷技術(shù)的使用范圍并不局限于數(shù)據(jù)中心，汽車和其他系統(tǒng)也需要利用該項(xiàng)技術(shù)來(lái)冷卻封閉空間內(nèi)的高性能系統(tǒng)。

　　硅同位素導(dǎo)熱性比傳統(tǒng)硅好150%

　　隨著科技進(jìn)步，許多電子產(chǎn)品尺寸越做越小，但由于電流一通過(guò)就產(chǎn)生熱，所以過(guò)熱成為電子設(shè)備縮小尺寸的一大阻礙?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，從硅的同位素所制成的納米線，比普通硅的導(dǎo)熱性還好150%，未來(lái)有望應(yīng)用在計(jì)算機(jī)芯片，使其溫度大幅降低。

　　當(dāng)電子系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，電流產(chǎn)生大量的熱，累計(jì)久了就會(huì)損壞組件，因此科技業(yè)也開始發(fā)展冷卻技術(shù)，但隨著電子產(chǎn)品越來(lái)越小，有效散熱更加困難。

　　研究人員發(fā)現(xiàn)，硅的同位素“硅-28”(Si-28)，有助于制造出冷卻性能超乎預(yù)期的計(jì)算機(jī)芯片。至少有92%的硅以硅-28的形式存在，另外5%為硅-29(Si-29)，剩下為硅-30(Si-30)。雖然這些同位素具有相同的電子功能，但以往研究發(fā)現(xiàn)，硅-29和硅-30中的“雜質(zhì)”會(huì)中斷熱量流動(dòng)。

　　至于用硅-28所制成的散裝組件，可提高10%熱傳導(dǎo)性，但并不值得付出額外成本制作。研究人員之后使用硅-28制成的納米線，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)熱性意外地好，原本預(yù)計(jì)可改善20%效果，想不到性能竟比天然硅制成的納米線好150%。

　　原因是納米線外部形成一層二氧化硅(silicon dioxide)，撫平了散熱時(shí)的粗糙表面，線內(nèi)部因?yàn)闆](méi)有其他同位素的問(wèn)題，熱量能順利地通過(guò)納米線的核心。

　　這有助于新的計(jì)算機(jī)芯片研發(fā)，讓這些芯片更有效地將熱量發(fā)送出去，不過(guò)從其他同位素中分離出硅-28相當(dāng)困難且昂貴，但相信未來(lái)在這方面也能取得進(jìn)展。

　　封裝行業(yè)正在采用新技術(shù)應(yīng)對(duì)芯片散熱問(wèn)題

　　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。

　　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。但由于使用專門設(shè)計(jì)的測(cè)試車輛的 DOE 步驟耗時(shí)且成本更高，因此首先利用仿真。

　　選擇 TIM

　　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。

　　孔洞是一個(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，”西門子的 Parry 說(shuō)。“而且這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>

　　以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。“如果你減小芯片的尺寸，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。“電線更長(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)?！?/p>

　　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?！叭绻矣羞@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)?！斑@不是將熱量上下移動(dòng)的最佳導(dǎo)熱方式?？赡軙?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?！?/p>

　　但混合鍵合成本高昂，并且可能仍僅限于高性能處理器類型的應(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。

　　而且華為也采取了芯片封裝的方法為芯片降溫。2021年，華為技術(shù)有限公司之前公開了“芯片封裝組件、電子設(shè)備及芯片封裝組件的制作方法”專利，公開號(hào)為 CN113707623A。

　　企查查專利摘要顯示，本申請(qǐng)公開了一種芯片封裝組件、電子設(shè)備及芯片封裝組件的制作方法。

　　芯片封裝組件包括封裝基板、芯片和散熱部，封裝基板包括上導(dǎo)電層、下導(dǎo)電層和連接在上導(dǎo)電層和下導(dǎo)電層之間的導(dǎo)電部;芯片包括相背設(shè)置的正面電極和背面電極，芯片內(nèi)嵌在封裝基板內(nèi)，導(dǎo)電部包圍芯片，正面電極與下導(dǎo)電層連接，背面電極與上導(dǎo)電層連接;散熱部連接于上導(dǎo)電層遠(yuǎn)離芯片的表面;上導(dǎo)電層、下導(dǎo)電層和導(dǎo)電部均具導(dǎo)熱性能。

　　本申請(qǐng)通過(guò)設(shè)置芯片與封裝基板的上導(dǎo)電層以及下導(dǎo)電層連接，從而芯片產(chǎn)生的熱量可進(jìn)行雙向傳導(dǎo)散熱，并在上導(dǎo)電層上設(shè)置散熱部，使得芯片封裝組件能夠達(dá)到更優(yōu)的散熱效果。

　　當(dāng)前，電子設(shè)備越來(lái)越輕薄，芯片封裝組件的集成度越來(lái)越高，存在著較為嚴(yán)重的散熱問(wèn)題，芯片無(wú)法得到有效散熱的話，會(huì)有一定的安全隱患，華為這項(xiàng)專利可以較好的解決部分散熱問(wèn)題。