异构集成2.5D封装的冷却解决方案

逍遥设计自动化

引言
+ m8 ~5 E6 |0 |/ @随着半导体行业不断突破集成度和性能的界限,现代电子封装中出现了新的散热挑战。2.5-D和3-D封装技术的出现导致功率密度增加,散热管理要求更加复杂。本文介绍通过在中介层中加入微通道散热器来增强异构集成2.5-D封装热传递的新方法[1]。

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7 ~; |% a; [# D- [4 u. Q  w2.5-D封装中的散热挑战
异构集成允许在单个封装中组合具有不同功能和制造技术的多个chiplet。虽然这种方法在性能和功能方面具有显着优势,但也带来了独特的散热管理挑战。Chiplet厚度的变化和不同互连技术的使用可能导致热分布不均匀和局部热点。
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% M- Z0 C6 t+ _* r# Q" Z传统的冷却方法,如使用热界面材料(TIM)和散热器,可能不足以有效解决这些挑战。因此,研究人员正在探索创新的冷却解决方案,以维持这些先进封装中的最佳工作温度。

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图1：带HSF的FCPGA结构的分解图。红色箭头表示主要和次要热流路径。

图1说明了倒装芯片球栅阵列(FCBGA)封装中的传统热流路径。主要热流路径从结从经过芯片到散热器和风扇组件。然而,还存在次要热流路径,通过微凸点、中介层和凸点将热量传递到主板。
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创新冷却方法:中介层中的微通道散热器
为了解决2.5-D封装中的散热挑战,本文提出了一种将微通道散热器直接集成到中介层的新方法。这种创新的冷却解决方案旨在增强次要热流路径,提供从chiplet到环境的更有效热耗散。

这种方法的主要优势包括:

靠近热源:通过将微通道放置在中介层中,更接近chiplet,允许更有效的热传递。

均匀冷却:微通道结构可以设计为在整个封装中提供更均匀的冷却。

与现有封装技术兼容:这种解决方案可以集成到当前的2.5-D封装工艺中,无需重大修改。
* l+ q0 l$ Z" [, H) A; I

微通道散热器的分析模型
3 A( e+ ~2 d" d2 I为了评估微通道散热器的性能,开发了一个分析模型。该模型允许快速评估热和流体动力学行为,而无需耗时的计算流体动力学(CFD)模拟。

分析模型考虑以下关键参数:
  P* ]! r: N# J

通道几何(宽度、深度和长度)

流体特性(热导率、比热、密度和粘度)

流量

热传递系数

该模型使用以下公式计算通道壁和流体之间的热阻:
  l8 e+ {0 N7 E; w& ^/ _
* O: c6 b* Y9 A0 Q4 z% YRth_uch = 1 / (dm/dt * cp * (1 - e(-h*A / (dm/dt * cp)))
' u4 p/ g. [$ z1 S
其中:
$ M) c9 N- ?3 K  x5 c; `Rth_uch: 单个通道的热阻
# q. R, Z% S8 I5 w/ ~. sdm/dt: 质量流量
! S/ X9 E0 f8 Z3 a2 m2 Ecp: 流体的比热
* b3 n+ G$ S; O6 Z! q6 \h: 热传递系数
A: 热交换面积
* S1 _; `8 \8 j5 ?
* F& \3 A  g9 F: S对于并行微通道结构,总热阻(Rth_uch_str)计算如下:

2 H  I- ]- @  a1 y6 \Rth_uch_str = 1 / (∑(1/Rth_uch_i))
6 l  c& y" x6 w" P+ H
这个分析模型提供了一种快速有效的方法来估算微通道散热器的冷却性能,允许快速设计迭代和优化。

. Z4 r8 E- V; [: _' t4 [

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; O9 h4 }9 T7 F! h图2:热图的集总元件模型。
& I0 s) V% A) W1 {
图2显示了热图的集总元件模型,说明了系统中的各种热阻,包括微通道散热器。

模拟设置和结果
9 q  Q3 @+ `( p! ]9 l为了验证提出的冷却解决方案,使用CFD工具创建了异构集成2.5-D封装的详细3-D模型。
- j" l# F9 W& ~$ D9 h" @2 `6 U
模拟模型包括以下组件:
* k& f# W- ]* E- h

JEDEC高热导率测试板

带嵌入式微通道的硅中介层

三个chiplet: CPU、GPU和内存模块

用于互连的SnAg凸点和微凸点

带热界面材料的不锈钢盖


$ M9 a5 @. \: O9 Y

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图3:异构封装的分解图。

, J& t9 `5 ?5 n: b+ k# c图3提供了模拟的异构封装的分解图,显示了各种层和组件。
! t5 F( [7 H% W+ \
模拟研究了四种不同的场景:
1. 仅有盖的封装(无额外散热器)
2. 带盖和散热器-风扇(HSF)组件的封装
3. 具有均匀功率分布的四核CPU
4. 具有非均匀功率分布的四核CPU(一个高功率核心)
9 F% W) o# v# g: N! E
对于每种场景,模拟了三种不同的冷却液流量:0、10和100 cm3/min。
  ?7 \8 B' ]& x/ W: S- D8 T& w
结果和讨论
6 r9 [6 T* b7 S  o- @- p/ y0 b* g模拟结果证明了所提出的微通道冷却解决方案的有效性。关键发现包括:
3 v. m$ u# \0 {  J5 Y$ U1. 显着的温度降低：在第一种情况(仅有盖)中,结温度随着流量的增加而显着降低。例如,CPU温度从300°C以上(无流量)降至109°C(100 cm3/min)。
+ R- f) L+ a/ i" K/ X; S! t2. HSF增强冷却：添加散热器-风扇组件进一步提高了冷却性能。在第二种情况下,当将HSF与微通道冷却相结合时,在最高流量下CPU温度从109°C降至44°C。
3 ?4 A+ `8 M- N/ E3. 非均匀功率分布：在第四种情况下,一个CPU核心具有高功率负载,微通道冷却解决方案特别有效。与没有微通道冷却的情况相比,高功率核心的温度降低了72.7°C。
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图4：第四种情况下芯片上的温度分布。红色箭头表示流体流动的方向。
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9 R% C0 C' J1 c+ ~图4说明了第四种情况下芯片上的温度分布,突出了微通道冷却解决方案在管理局部热点方面的有效性。

模拟结果还验证了分析模型,计算和模拟的热阻之间有良好的一致性。例如,在100 cm3/min的流量下,分析模型预测的热阻为0.264 K/W,而模拟结果为0.31 K/W。
5 B8 Y" X+ q7 \% u- g
实际考虑因素
需要考虑几个实际因素:
! H& e, U* n2 o( W% Z1. 制造工艺：必须使用与CMOS兼容的工艺制造微通道,以确保与现有制造技术的集成。
6 x0 z* W2 |- M( _' h+ i2. 流体管理：必须设计适当的入口和出口结构,以确保微通道中的均匀流动分布。
3. 压降：随着通道长度的增加,微通道结构的压降变得更加显着。这可能需要更强大的泵或通道几何的优化。
4. 可靠性：必须彻底评估微通道结构及其与中介层集成的长期可靠性。
5 ]' j+ o: L4 b+ p, p6 q5. 成本考虑：必须权衡微通道制造所需的额外制造步骤与提供的热效益。
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- e+ ]* E. A+ {结论
本文介绍了使用嵌入在中介层中的微通道散热器冷却异构集成2.5-D封装的新方法。提出的解决方案在散热管理方面提供了显着改进,特别是对于具有高功率密度和局部热点的封装。

分析建模和详细CFD模拟的结合展示了这种冷却技术在解决先进电子封装散热挑战方面的潜力。随着半导体行业继续推动集成和性能的界限,像本文中提出的创新冷却解决方案将在实现下一代高性能电子系统方面发挥关键作用。

参考文献
, \/ J3 }  _& @1 ^/ j[1] G. Bognár, G. Takács and P. G. Szabó, "A Novel Approach for Cooling Chiplets in Heterogeneously Integrated 2.5-D Packages Applying Microchannel Heatsink Embedded in the Interposer," IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 13, no. 8, pp. 1155-1163, Aug. 2023, doi: 10.1109/TCPMT.2023.3298378.

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