IC-3D封装的散热的概述与解决

IC-3D封装的散热的概述与解决 ------------------------------------------------------------------------------------------------ IC-3D封装的散热的概述与解决 三维立体封装散热方面的挑战 一 问题提出 3D封装是在一个较小的封装体内堆叠多层 IC芯片，因而其散热问题则愈加严重，如何解决3D封装带来的高散热成为3D封装面临的首要挑战。 二 问题展开 芯片产生的热量主要通过两种途径进行传输:即内部途径和外部途径。内部途径:热量由芯片结区到达外壳的外表面;外部途径:芯片产生的热量传导到封装外表面后，通过对流和辐射的方式逸散到周围环境中去。 因此解决3D 封装的散热问题需要从内因分析和外部措施两个方面展开。 三 问题的解决 ? 内因方面 1. 结构 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 方面优化热量分布: 研究3D芯片在传导、对流作用下3D封装结构的热阻网络模型，通过对热阻网络模型的计算与仿真分析找出影响3D封装散热效果的关键因素;通过对散热过孔的拓扑优化和参数优化来获得最佳的散热效果，研究多芯片堆叠时功率分配不同对3D封装整体热阻网络的影响，综合优化和功率分配的研究成果得到散热效果最优3D封装结构。 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 简单的举个例子，假如两个堆叠在一起的芯片其热点恰好位于同一部位，那么最终的成品性能便会受到很大的影响。为了避免出现此类问题，就需要从整体上优化堆叠阵列中上下层芯片的热点位置。 2. 在叠层元件之间使用低热阻CVD金刚石中间层 CVD金刚石材料具有其它电子材料无法比拟的高导热率(1000—1700W/m-K)，把金刚石材料作为裸片间的中间层，从而增强散热效率是很有效的措施。 加装金刚石中间层效果如图 经过试验后的散热效果对比如左图: 上图为未加CVD金刚石中间层 下图为加有CVD 中间层 结论:CVD金刚石的导热率非常高，可见虽然加入金刚石导热层可以明显改善芯片结温，但其厚度影响极小，所以有很高的使用潜力。 3. 使用低热阻的成型填充材料 在芯片封装的成型环节下功夫传统的成型一般采用塑料封装，陶瓷封装，其中塑料封装占据90% 的市场; 这时候可以采用金属封装，可以起到加快散热作用，同时可以起到物理保护、电磁屏蔽优点 方法二可以采用改进的低热阻成型材料，提高其热导率，必然可以加快芯片内部的热量释放，从而改进散热效果(改进型成型材料还—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 处于讨论研发阶段，成本和可行性不在此考虑)。 ? 外部措施 1(增加高导热的芯片外围散热辅助器件 ? 加装铜散热板、铝封装盖等; ? 使用低热阻的PCB板 印刷电路板(PCB)也能被当做导热介质使用。例如华硕的StackCool技术，就是在PCB板中间加入了铜介质层，达到了为MOS管或板载芯片散热的目的。 MOS管位置后面的铜层可作为简单的散热片 2. 使用强风冷或液冷却剂为3D器件降温; ? 强制风冷技术大多应用在低功耗或中等功耗的器件或电子设备中; ? 液体冷却、高效冷却技术常采用在大功率的器件，但这些高效的冷却技术需要些附加设备，增加了系统的体积、复杂性、制造和维护的成本。 ? 新型散热技术——相变制冷技术 利用冷媒从液态蒸发成气态过程中，吸收大量的汽化潜热，利用蒸气压缩制冷原理，使冷媒在芯片处直接蒸发吸热，实现高效冷却，并能使被冷对象的温度降低至环境温度以下 参考文献: 《CVD金刚石改善3D—MCM散热性能分析——谢扩军 蒋长顺 徐建华电子科技大学物理电子学院》 —————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 《三维立体封装(3D)结构与热设计面临的挑战 ——王文利 梁永生》 《3D堆叠技术的道与魔——“半导体科技”网站13年7月刊》 《试议3D封装到来时的机遇与挑战苏州德天光学技术有限公司》 *******************************其它边缘材料 ************************************* 二 设计标准 3D-IC制程的一种工业应用范式首先是芯片到芯片堆叠(C2C)，然后转向芯片到晶圆堆叠(C2W)，最终转向晶圆到晶圆堆叠(W2W)。W2W集成的根本局限性在于晶粒的大小必须相同，并且一个合格晶粒很可能会堆叠到一个缺陷晶粒上。但是，这种方法在生产复杂性方面具有很多优势;但最主要的一点是能够对晶圆上的所有晶粒进行同步处理。 缺乏标准 基于TSV 的 3D IC 设计、制造，和包装有几个标准，尽管这个问题正在得到解决。此外，还有许多技术仍在探索，例如via-last, via-first, via-middle;[22]内插(interposers)或直接接合(direct bonding)等。 三 测试方面 质量评价与检测技术相关设备 可以预见，TSV的特殊性还会给3D IC制造的检测和量测带来前所未有的困难，控制TSV通孔工艺需要几何尺寸的量测，以及对刻蚀—————————————————————————————————————— ------------------------------------------------------------------------------------------------ 间距和工艺带来的各种缺陷进行检测。通常TSV的直径在1μm到50μm，深度在10μm到150μm，深宽比在3到5甚至更高，一颗芯片上的通孔大约在几百甚至上千。减薄和键合工艺对检测和量测的需求更多。厚度和厚度均匀度需要测量，工艺中必须监控研磨浆残留、微粒污染、铜微粒、应力引起的开裂、边缘碎片等。对于键合，无论是芯片至晶圆、还是晶圆之间，在精准的对位的同时，还需要控制表面粗糙程度、表面洁净度和平坦度。另外，一些新的工艺步骤也需要考虑监控，比如尺寸在几十个微米的凸点阵列等。 目前3D封装技术的发展面临的最大难题是制造过程中的实时工艺过程的实时检测问题，因为这一问题如果解决不了，那么就会出现高损耗，只有控制了每一道生产工艺，就能有效地保证产品的质量,从而达到有效地降低废品率。苏州德天光学技术有限公司开发的微焊点自动光学显微检测仪(MMI)的出现刚好解决了这一技术难题，它可满足所有3D封装的每一个检测点的实时工艺过程控制的要求，微焊点自动光学显微检测仪(MMI)的出现将大大促进3D封装的发展。 来源:《试议3D封装到来时的机遇与挑战苏州德天光学技术有限公司》 其他图片 简单的芯片堆砌(无TSV) ——————————————————————————————————————