三维堆叠芯片的热模拟与管理：从理论到实践
三维堆叠芯片的热模拟与管理：从理论到实践
随着新一代电子设备对功能、连通性和多功能性的需求不断增加，同时设备尺寸却在不断缩小，这给芯片设计、器件封装和热管理带来了巨大挑战。为了在更小的设备中实现更多功能，电气和机械工程师需要找到创新的方法来设计新产品。
芯片上系统（SoC）与多芯片模块封装
芯片上系统（SoC）是指将电子系统的所有组件集成到单个集成芯片中，可能包含数字、模拟、混合信号，通常还有射频功能，所有这些都在单个芯片基板上。一个典型的应用是在嵌入式系统领域，如微控制器或智能手机芯片。
堆叠多芯片设计是在芯片模块上构建该系统的一种有效方法。图1显示了一个三维堆叠的多芯片模块的照片。这个多芯片模块有四个模具相互堆叠在一起，每个模具的尺寸依次减小，所有模具的电线都连接到基板上的互连接器上。
图1：3D堆叠多芯片模块
使用多芯片模块封装的优点包括：
- 提高封装密度和性能，减少芯片尺寸和重量
- 增加高速设计的价值，提高信号完整性和组装
- 提高互连性能
- 减少芯片的再还原面积和总功率
- 在下一层降低板面积和路由复杂性
然而，使用多芯片模块封装也面临一些挑战：
- 包装经常影响信号匹配、噪声耦合和衰减
- 需要全面的三维电磁和机械分析
- 芯片的尺寸、位置和厚度会影响热应力
- 热膨胀系数的差异导致微分的热应变，从而引起应力
- 可能的分层和空隙提供了较大的热阻，并导致垂直堆叠的封装
- 多芯片结构的热管理是困难的
对于机械和热工程师来说，挑战3-6是主要关注的问题。从热管理的角度来看，预测模具到环境的热阻和多模块的温度分布是主要关注的焦点。然而，降低模块结温是最终的目标。
热模拟与建模
累积结构函数给出了热容（累积热容）之和作为系统热阻（累积热阻）之和的函数，从激发点到环境测量。图2显示了累积结构函数的一个示例。
图2：累积结构函数和相关等效电路
微分结构函数定义为累积热容相对于累积热阻的导数。对于横截面面积A的单片，微分结构函数的K值与体积热容c、热导率k和横截面积A的平方成正比。这个函数提供了热流流截面面积的平方图作为累积电阻的函数。
通过数值模拟研究一个具有三个堆叠模具的芯片。四分之一的金字塔结构如图3所示。底部的模具的尺寸为14x14mm（在¼模拟中为7x7），中间的模具的尺寸为12x12 mm，顶部的模具的尺寸为10x10 mm。所有模具和胶层的厚度均为0.035 mm。
考虑的导热系数和体积热容值为156 W/m。硅层为K和1.6×106W.s/m2K，胶层为1 W/mK和1×106W/s/m2K。散热区位于顶层的中部，所考虑的传热系数为6000 W/m2。K在底部，100 W/ m2。K在顶部。主热流通过包装的底部转移到外部。
图3.所调查的锥体结构
图4.锥体结构的累积结构函数
图5.锥体结构的结构功能
研究的模拟结果如图4和图5所示。图4为累积结构函数，图5为锥体结构的微分结构函数。每个模具的热阻和热容值可以直接从上图中读取和计算。
为了对三维堆叠模结构进行解析建模，可以采用紧凑的RC模型。图6显示了一个带有2个堆叠模具的芯片的例子。利用该模型和得到的结构函数曲线模阻，工程师可以很容易地预测不同电负荷下的模具温度。
图6：两个堆叠包装的紧凑热模型
三维堆叠芯片的热管理解决方案
三维堆叠芯片的热模拟和建模对于了解影响热阻和模具温度的参数和材料性能至关重要。但为了解决日益增长的增加热通量负荷的问题，必须采用创新的方法来消除模块的热量和降低模块的温度。
目前和未来的堆叠模结构的冷却技术包括：
- 热通孔和散热器
- 单相微通道液体冷却
- 两相微通道液体冷却
热孔为模块提供了进入散热器或冷板的热路径。散热器降低模块温度，减少热点。它们还可以帮助把热量转移到外壳。单相/双相液冷微通道可以用相同的技术直接蚀刻在硅片上。因此，该微通道可以集成在三维堆叠的模块结构中。微通道散热器由于其小型通道尺寸，可以实现极高的对流传热系数和较低的热阻。
图7：带有微通道散热器的三维堆叠芯片原理图
对于低功率3D堆叠芯片，只要模块结温度低于规范限值，传统的使用风冷散热器和PCB板散热的方法仍然有效。利用更好的衬底和热通道来平滑多个模块内的温度，可以降低峰值结温，减轻不同模块之间的应力。
对于大功率三维堆叠模结构，风冷方法将在不久的将来达到其极限。液冷式微冷管散热器等集成冷却技术在解决这一问题方面具有巨大的潜力。但在芯片上首次真正应用集成的液冷微通道散热器之前，还需要解决大量的问题。
从风冷到液冷的迁移并不是一个容易的任务，特别是在芯片水平上。然而，集成的液冷微通道可以显著降低堆叠模块的芯片连接温度，它将使芯片达到更快的速度，具有更多的功能，并且仍然保持更小的尺寸。