封装设计中的热性能考量

1. 传统封装中热性能的度量标准

国际半导体设备与材料协会标准 SEMI G38-0996 和固态威廉希尔官方网站 协会 JEDECJESD51 标准中定义的集成电路中各项温度点位置如图所示，其中T3是集成电路芯片处的温度。作为衡量芯片散热性能的指标，T3主要由功耗和散热能力两方面决定，因此对集成电路封装进行热优化也可以从这两个方面进行：通过低功耗设计、布局优化设计等手段来降低或均匀化热点热量；降低热阻的角度，包括芯片内部导热优化设计和芯片外部热沉散热设计两部分。

2.散热设计的现实需求日益严峻

在三维堆叠集成电路架构中，有大量的低热导率介质在层间使用，同时随着芯片特征尺寸的减小，热点的尺寸不断缩小，导致热点扩散热阻的指数级增加，再加上芯片功率密度的急剧增加，使得集成电路的散热设计更加困难。

3．从集成电路内部结构及材料特性改善电路热特性

(1）热电结合优化设计：集成电路的热点分布由电路功耗分布决定，通过规划集成电路的功耗分布，优化布局，尽量使热量在芯片空间内均匀分布；或者采用电压岛等特殊设计，实现单位时间内各电压岛内元器件的均匀发热。

(2） 基于TSV 的多层堆香芯片热设计：利用三维集成电路/封装体中常用的高导热系数材料 （如铜）所构成的再布线层互连线（热线）和硅通孔（热TSV）构建高导热通路，是目前散热设计的重要方法。众多相关研究工作利用热TSV/热线的高导热特性，结合芯片中的电学设计和布局考量，在有限的面积下实现最大散热效果，实现热量在热点和热沉之间的高效传导，从而实现集成电路内部的热优化设计。

(3）芯片级别嵌人式微流道冷却威廉希尔官方网站 ：在芯片内部引人微流道冷却威廉希尔官方网站 是目前集成电路内部散热设计的前沿方法之一。通过在硅衬底中刻蚀形成微流道，实现各层热量的层内散逸，可大大缩短热量从热点到达热沉的距离，降低散热热阻。目前，微流道冷却威廉希尔官方网站 面临很高的设计/制备复杂度的问题，这一问题在叠层芯片内部贯通的微通道网络制备中尤其突出，不仅要考虑元器件的布局形式，更要保证微流道密封可靠，能够承载散热流体的工作压力。另外，维集成电路封装体的层厚较小，其内部嵌人微流道使得封装体的机械可靠性也面临巨大考验。

4. 从集成电路外部热沅封装及材料特性改善电路热阻

（1)热界面材料：在芯片封装过程中，通常需要热界面材料 （ThermalInterface Material, TTM)对芯片和热沉进行物理途接。TIM 作为实现芯片热量均匀化及传递到热沉的中间材料，是封装散热设计需要考虑的重要因素之一。

利用 TIM 连接芯片和热沉时，会在界面处形成界面热阻。该界面热阻由两部分组成，即接触处不同材料界面的接触热阻和接触界面处间隙内的气体热阻。一般来说，界面材料导热系数的减小和固体表面粗糙度的增大，都会导致界面热阻增大.

一种常用的热界面材料设计思路是，在常规界面黏结材料基体内部加人一些高导热系数填料，如 SiC、 AIN、AI₂O3、Si0₂,等，从而提高其导热性能。随着新材料/复合材料的不断研发，越来越多的具有高导热系数的热界面材料被引八封裝领域，如导热胶、相变材料 (Phase Change Material, PCM)、导热弹性体等。碳纳米管和石 墨烯作为近年来新兴的高导热系数填料，也被用于提高热界面材料性能和封装体散热性能。导电银胶、锡浆和共晶焊按合金 等具有较好导电性的材料，已广泛应用在有电学连按需求的场合中。

（2） 热沉威廉希尔官方网站 ：热沉作为一种散热单元结构，其温度一般不随传递到它的热量多少而发生改变，其中贴装热沉是集成电路最常用的冷却方式。常见的热沉冷却威廉希尔官方网站 实现途径有空气冷却、直接浸没冷却、液体冷却、热管冷却、热电致冷、相变冷却、微喷冷却等，其中空气冷却和波体冷却的应用最为普通。空气冷却威廉希尔官方网站 通常采用金属材料压膜形成翅片状，以增大散热表面积，从而提高热量散失能力。液体冷却威廉希尔官方网站 是利用流经芯片表面的冷却液体而将热量带走的为了强化散热效果，可在芯片散热表面布置扰流柱结构，这种结构不仅起到翅片作用，还可增强流动湍流度。

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审核编辑：汤梓红