集成电路封装高密度化与散热问题
半导体封装过程中的散热技术研究
半导体封装过程中的散热技术研究
王伟;姜亮;吴清光
【期刊名称】《新潮电子》
【年(卷),期】2024()1
【摘要】随着半导体技术的飞速发展,半导体器件的集成度和功率密度不断提高,导致封装过程中的散热问题日益突出。
本文首先分析了半导体器件热特性,揭示了散热问题对半导体性能的影响,强调了散热技术的重要性,探讨了热导材料和热界面材料的特点、选择,以及热传导路径的优化和散热结构设计的原则,以实现最佳的散热效果。
【总页数】3页(P121-123)
【作者】王伟;姜亮;吴清光
【作者单位】济南市半导体元件实验所
【正文语种】中文
【中图分类】TP3
【相关文献】
1.高功率半导体激光器陶瓷封装散热性能研究
2.同轴封装半导体激光器的散热研究
3.意法半导体推出5mm×6mm双面散热微型封装汽车级功率MOSFET管
4.危急重症有机磷中毒患者的临床急救分析
5.电子封装中高散热铜/金刚石热沉材料的电镀技术研究
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
集成电路封装与封装技术进展与挑战
集成电路封装与封装技术进展与挑战集成电路封装与封装技术是现代电子产业中至关重要的一环，它对电路性能的稳定性、可靠性和尺寸紧凑性等方面都起到了关键作用。
随着科技的不断发展，封装与封装技术也在不断进步与演变，同时也面临着一些挑战。
一、集成电路封装的发展20世纪70年代，集成电路封装技术处于起步阶段，常见的封装形式是DIP（Dual Inline Package）和TO（Transistor Outline）等形式。
这些封装方式体积庞大，占据大量的空间，制约了集成电路的发展。
在80年代初，芯片的集成度不断提高，对封装技术也提出了更高的要求。
为了解决封装体积大的问题，引入了PLCC （Plastic Leaded Chip Carrier）和PGA（Pin Grid Array）等新型封装技术。
这些技术不仅能够以更小的尺寸实现更高的集成度，而且还能够提高电路的可靠性和耐热性能。
到了90年代，为了满足半导体工艺短板和市场需求的不断提高，传统二维封装开始不再适应集成电路的发展需求。
于是开始出现三维封装技术的研究，如BGA（Ball Grid Array）和CSP（Chip Scale Package）等封装技术应运而生。
这些封装方式不仅实现了电路更高的集成度和更小的体积，而且还提高了电路的散热和信号传输能力。
进入21世纪，人们对集成电路封装技术提出了更高的要求。
在追求更高集成度和更小体积的同时，还要保证封装的可靠性和可制造性。
为此，现代集成电路封装技术不仅在封装材料、封装工艺和封装结构上做了大量的创新和研究，还开始引入了新的封装材料和封装工艺，如无铅封装技术、微机电系统封装技术等，以满足不同应用领域的需求。
二、集成电路封装技术的挑战尽管集成电路封装技术取得了巨大的发展，但仍面临着一些挑战。
首先，封装技术需要不断适应集成电路的快速发展。
集成度和功耗的不断增加意味着封装在制造工艺和材料上要有更高的要求。
如何实现更高的集成度和更小的体积，同时保证封装的可靠性和可制造性，是一个重要的挑战。
封装工艺对芯片性能的影响
封装工艺对芯片性能的影响封装工艺对芯片性能的影响芯片作为现代电子产品的核心组件之一，其性能直接影响着整个电子产品的质量和性能。
而封装工艺作为芯片制造过程中的重要环节之一，对芯片性能也有着重要的影响。
封装工艺的质量和精确度，决定了芯片的可靠性、散热性能和电气性能等方面，因此对于芯片制造过程来说，封装工艺的优劣至关重要。
首先，封装工艺对芯片的可靠性有着直接的影响。
芯片在运行过程中会产生一定的热量，而封装工艺可以影响芯片的散热性能。
如果封装工艺不合理，散热效果不佳，芯片温度过高，容易导致芯片的损坏或寿命缩短。
因此，在设计封装工艺时，需要充分考虑芯片的散热需求，采用合适的散热材料和散热结构，以确保芯片能够稳定运行并延长其使用寿命。
其次，封装工艺对芯片的电气性能也具有重要影响。
芯片的电气性能包括传输速度、信号稳定性等方面。
封装工艺中的电路设计、金属层堆叠方式、焊接工艺等，都会影响芯片的电气性能。
例如，对于高速芯片来说，要求信号传输的速度和稳定性都非常高，因此在封装工艺中需要采用低损耗的材料，合理布局电路，以减小信号传输的延迟和失真，提高芯片的电气性能。
此外，封装工艺还可以影响芯片的尺寸和外观。
随着电子产品的发展，对芯片的尺寸和外观要求也越来越高。
封装工艺可以通过微缩工艺、多层堆叠等方式，使芯片尺寸更小、外观更美观，以满足电子产品的小型化和美观化的要求。
综上所述，封装工艺对芯片性能的影响是多方面的。
它直接影响着芯片的可靠性、散热性能和电气性能等方面。
因此，在芯片的制造过程中，需要重视封装工艺的选择和优化，以提高芯片的整体质量和性能。
只有通过合理的封装工艺，才能生产出更加可靠、高性能的芯片，满足不断发展的电子产品市场的需求。
2.5D和3D封装技术的比较与选择
2.5D和3D封装技术的比较与选择随着信息技术的飞速发展，集成电路封装技术作为连接芯片与外部系统的桥梁，其进步直接关系到电子产品的性能、体积和成本。
在众多封装技术中，2.5D封装与3D封装作为高端封装技术的代表，正逐渐成为高性能计算、数据中心、移动通信等领域不可或缺的关键技术。
本文将从六个维度对这两种封装技术进行比较，并探讨在不同应用场景下的选择策略。
一、技术原理与结构差异2.5D封装技术，顾名思义，是一种介于传统的二维平面封装与三维立体封装之间的过渡形式。
它通过中介层（Interposer）来实现芯片间的高密度互连，中介层通常由硅、玻璃或有机基板制成，具有大量的过孔和布线，可承载多个芯片，实现高速、短距离的数据传输。
而3D封装则直接将多个芯片堆叠在一起，通过硅通孔（TSV, Through-Silicon Vias）或其他微细互联技术实现芯片间的垂直互联，进一步缩小了芯片间的物理距离，提升了集成度。
二、性能对比在性能方面，3D封装技术因芯片间的直接堆叠，显著缩短了信号传输路径，降低了延迟，提高了数据传输速度，特别适用于高性能计算和大规模并行处理领域。
相比之下，2.5D封装虽然没有达到芯片直接堆叠的紧凑程度，但中介层的存在允许更灵活的芯片布局和更大的I/O数量，有利于高带宽内存（HBM）的集成，同样能满足大数据处理和图形处理的高速数据交换需求。
三、成本与复杂度成本是决定技术应用的关键因素之一。
3D封装技术由于涉及到复杂的硅通孔制作、芯片堆叠工艺及热管理问题，其成本通常高于2.5D封装。
2.5D封装利用成熟的中介层技术，成本相对较低，且生产难度较小，更易于实现商业化。
然而，随着技术成熟度的提高和规模效应的显现，3D封装的成本差距正在逐步缩小。
四、散热与可靠性散热是高密度封装面临的重大挑战。
3D封装因芯片堆叠导致的热密度高，需要更先进的散热解决方案。
而2.5D封装因中介层的存在，提供了更好的散热路径，相对更容易管理和控制温度。
数据中心高密度设计优化空间和散热效果
数据中心高密度设计优化空间和散热效果数据中心是现代信息技术的核心设施，承载着各行各业日益增长的数据需求。
在数据中心的设计中，高密度的设备布局既可以提高处理能力，又可以有效利用空间。
然而，高密度设计也带来了散热问题，因此必须采取适当的优化措施，确保数据中心的正常运行。
本文将探讨数据中心高密度设计的优化空间和散热效果。
一、高密度设计的优势与挑战高密度设计是指在有限的空间中布置更多的设备和服务器，以提高计算密度和处理能力。
这样可以最大程度地利用空间资源，降低设备成本和维护成本。
与传统的低密度设计相比，高密度设计具有如下优势：1. 提高计算效率：高密度的设备布局可以减少设备之间的物理距离，缩短信号传输的时间，提高数据传输速度和性能。
2. 节约资源：高密度设计可以充分利用机房的空间，减少用地面积，降低建设成本。
然而，高密度设计也带来了一系列的挑战，特别是散热问题。
高密度设备产生的热量大，如果散热不良会导致设备过热，进而影响设备的性能和寿命。
因此，在高密度设计中必须注重散热效果的优化。
二、优化空间设计在高密度设计中，优化空间设计可以充分利用有限的空间资源。
以下是几种常见的优化空间设计方法：1. 机柜布局优化：合理的机柜布局可以最大限度地利用机柜内的空间，提高设备的密度。
可以采用可调节的机柜，根据不同的设备尺寸进行布局，以充分利用每一寸空间。
2. 机架分层设计：通过将机架分层，可以提高机房的空间利用率。
高温设备可以放置在顶层，冷却设备可以放置在底层，从而实现空间的优化。
3. 空间利用规划：在设计数据中心时，可以根据设备类型和工作流量对空间进行规划。
将高频使用的设备放置在易于访问的位置，而将稀疏使用的设备放置在较为隐蔽的位置，以提高空间利用效率。
三、散热效果的优化数据中心的散热效果直接影响设备的性能和寿命。
以下是一些常见的散热优化措施：1. 合理通风设计：通过合理设置通风孔，可以改善机柜内的空气流动，并促进热量的散发。
如何解决微电子器件中的散热问题？
如何解决微电子器件中的散热问题？在当今科技飞速发展的时代，微电子器件已经成为我们日常生活和各个领域中不可或缺的组成部分。
从智能手机、电脑到医疗设备、汽车电子等，微电子器件的性能和可靠性对这些产品的质量和功能起着至关重要的作用。
然而，随着微电子器件的集成度不断提高，其工作时产生的热量也急剧增加，散热问题已经成为制约微电子器件性能提升和可靠性的关键因素之一。
因此，如何有效地解决微电子器件中的散热问题，成为了电子工程领域的一个重要研究课题。
微电子器件在工作时，电流通过半导体材料和电路会产生焦耳热。
这些热量如果不能及时散发出去，会导致器件温度升高，从而影响其性能和可靠性。
过高的温度可能会导致半导体材料的电导率下降、阈值电压漂移、载流子迁移率降低等问题，进而影响器件的工作速度和稳定性。
此外，长期处于高温环境还会加速器件的老化和失效，缩短其使用寿命。
为了解决微电子器件的散热问题，研究人员采取了多种方法和技术。
首先，优化器件的结构设计是一个重要的途径。
通过减小器件的尺寸、降低工作电压、采用低功耗的设计等，可以减少热量的产生。
例如，在集成电路的设计中，采用更先进的制程工艺，如从 14 纳米到 7 纳米甚至更小的制程，可以在一定程度上降低功耗和发热。
材料的选择也是解决散热问题的关键。
高导热性能的材料能够更有效地将热量从器件内部传导出去。
目前，常用的散热材料包括铜、铝等金属，以及金刚石、石墨烯等高导热的新型材料。
金刚石具有极高的热导率，是一种非常理想的散热材料，但由于其成本较高，目前在大规模应用中还存在一定的限制。
石墨烯则具有优异的导热性能和柔韧性，在微电子器件的散热领域有着广阔的应用前景。
散热片和热管是常见的被动散热方式。
散热片通常由金属制成，通过增加与空气的接触面积来提高散热效率。
热管则利用了工质的相变来传递热量，其导热性能远远高于普通的金属导体。
在一些高性能的微电子器件中，常常会同时使用散热片和热管，以达到更好的散热效果。
集成电路封装技术的发展方向
集成电路封装技术的发展方向随着科技的不断进步和人们对高性能电子器件的需求不断增长，集成电路封装技术也在不断地发展和改进。
本文将分析集成电路封装技术的现状和发展趋势。
一、集成电路封装技术的现状随着电子产品使用场景的不断扩大，对封装技术的要求也越来越高。
尤其是随着人工智能、大数据、云计算等高性能电子器件的出现，集成电路封装技术变得更加重要。
现代封装技术面临着一系列新的挑战，包括：1. 高密度封装随着电路尺寸的缩小，半导体晶体管的密度和数量的增加，同样面积的集成电路上需要容纳更多的电路和元器件。
因此，封装技术的发展需要满足更高的密度要求。
2. 多功能封装电子产品产品不断发展，用户对产品的功能要求也越来越高。
因此，一个封装器件要满足多种功能，如散热、脱焊、防水等。
3. 可重用封装传统的封装技术是一次性的，因此难以适应快速迭代的电子产品市场的需求，造成浪费和效益低下。
二、集成电路封装技术的未来发展为了应对上述挑战，并提供更多的解决方案，集成电路封装技术需要进一步发展。
1. 引入新的材料新材料的引入是提高封装性能和开发高级封装的关键。
例如，硅酸盐玻璃可以制成高质量的二层封装，以改善散热和崩裂问题；有机基板通过提高介电常数，提高信号速度和抑制互相干扰效果。
2. 工艺的优化工艺的优化可以很好的解决集成电路封装过程中遇到的问题。
例如，薄膜制程、金属ELP等制程的应用可以提高封装公差、拼接和可重用性。
3. 创新的封装结构创新的封装结构能够为集成电路提供更多的功能和易于纳入微小装置的能力。
例如，球网阵列封装结构能够实现紧凑型、轻量化、低成本和高可靠性的优势。
4. 智能化封装智能化封装是未来集成电路封装的趋势。
通过智能化设计，可以实现更高的产品精度、智能化质检功能以及让封装适应更多的场景。
结语本文从集成电路封装技术的现状和发展趋势两个方面对集成电路封装技术进行了分析。
未来集成电路封装技术的不断发展，必将为自动驾驶、5G通信和人工智能等领域的发展带来更加稳定的基础条件。
电子封装的散热设计原理
电子封装的散热设计原理电子封装的散热设计原理在现代电子产品中，散热是一个非常重要的设计考虑因素。
随着电子元件和集成电路的不断发展，电子封装的散热设计原理也变得越来越关键。
本文将介绍一些常见的电子封装散热设计原理。
首先，散热设计的目标是将电子元器件产生的热量迅速有效地传导、辐射和对流到周围环境中。
通过合理的散热设计，可以保持电子元器件的工作温度在安全范围内，提高其工作效率和寿命。
一种常见的散热设计原理是利用导热材料。
导热材料，如硅胶脂、硅胶垫等，具有良好的导热性能，可以将电子元器件的热量迅速传导到散热器或散热片上。
通过选择合适的导热材料，可以提高热量的传导效率，从而减少电子元器件的温度升高。
另一种散热设计原理是利用散热器或散热片。
散热器通常由铝或铜等材料制成，具有良好的热传导性能。
散热器通过增大表面积，提高空气的对流效果，加速热量的辐射。
同时，散热片的设计也非常重要。
通过增加散热片的数量和密度，可以增强散热器的散热能力，有效降低电子元器件的温度。
此外，风扇也是一种常用的散热设计原理。
风扇能够通过强制对流，将散热器表面的热量带走。
通过选择合适的风扇尺寸和转速，可以提供足够的风量，保持电子元器件的工作温度稳定。
最后，设计良好的散热路径也是散热设计的重要原则。
通过合理的散热路径设计，可以确保热量能够顺利地从电子元器件传导到散热器或散热片上，并最终通过对流、辐射等方式散发到周围环境中。
综上所述，电子封装的散热设计原理包括利用导热材料、散热器和散热片、风扇以及设计合理的散热路径等。
通过合理地应用这些原理，可以有效降低电子元器件的温度，提高其工作效率和寿命。
在未来的电子封装设计中，散热设计将继续发挥重要的作用，随着技术的不断发展，也会出现更多创新的散热设计原理。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
集成电路封装高密度化与散热问题
1 引言
数字化及网络资讯化的发展，对微电子器件性能和速度的需求越来越高，高阶电子系统产品，如服务器及工作站，强调运算速度和稳定性，而PC机和笔记本电脑对速度及功能需求也不断提高，同时，个人电子产品，如便携式多媒体装置、数字影像装置以及个人数字处理器（PDA）等的显著需求，使得对具有多功能轻便型及高性能电子器件的技术需求越来越迫切。
此外，半导体技术已进入纳米量级，可在IC芯片上制造更多的晶体管，也使得摩尔定律能继续维持，基于轻便而需整合功能的需求，IC 设计技术上，目前也朝着系统单芯片（SOC）方向发展。
另一方面，从IC封装技术的发展来看，也朝向精密及微型化发展，由早期的插入式封装到表面贴装的高密度封装、封装体与印制电路板的连结由侧面的形式逐渐发展成为面阵列形式，芯片与封装的连结也由丝悍形式发展为面阵列形式的倒装芯片封装，而IC封装也朝向SIP发展，然而，在此发展趋势中，最大的障碍之一来自于热。
热主要是由IC中晶体管等有源器件运算时所产生的，随着芯片中晶体管的数目越来越多，发热量也越来越大，在芯片面积不随之大幅增加的情况下，器件发热密度越来越高，过热问题已成为目前制约电子器件技术发展的瓶颈，以CPU为例，其发热量随着速度的提高而逐渐增加，目前已达115W 以上，相对的发热密度也大幅度增加。
为顺应热的挑战，CPU的封装形式也在不断变化，以寻求更佳的散热形式，而散热模块所采用的强制空气冷却器也不断改进设计提高性能，然而由于发射量的不断提高，与之相匹配的散热技术却未及时赶上，使得CPU的发展逐渐面临重大的瓶颈，终于促使Intel等公司不得不从设计上转变或牺牲某些附加功能而非一味追求运算频率的提高，另一方面，即使是存储模块也逐渐面临热的问题，根据ITRS预估：2006年每只DRAM的发热量将从1W左右增加到2W，为了扩大存储模块容量，目前许多公司开始采用3D堆叠形式的封装，虽然提高了芯片的应用效率，但也使热的问题越来越显著，据统计，由热所引起的失效约占电子器件失效的一半以上。
温度过高除了会造成半导体器件的损毁，也会造成电子器件可靠性降低及性能下降，对于热问题的解决，必须寻求由封装级、PCB级到系统级的综合解决技术方案。
由于封装级进行散热设计，不但效果最显著而且成本也最少，因此，封装级的散热设计更显得非常重要。
2 SIP发展及其散热问题
SIP技术是目前IC封装发展的必然趋势，SIP和SOC的概念不同，SOC是以IC前端制造技术为基础。
而SIP则是以IC后段制造技术为基础，SOC又称系统单芯片、具有功耗小、性能高及体积小等优点，系统单芯片在集成不同功能芯片时，芯片制造上尚面临着一些有待克服的问题，其技术发展目前尚不完全成熟，产业的投入风险较高，因此产生了SIP的概念，目前对SIP的定义仍有许多不同的说法，SIP的广义定义是：将具有全部或大部分电子功能，可能是一系统或子系统也可能是组件，封装在同一封装体内，如图1所示，在本质上，系统级封装不仅是单芯片或多芯片的封装，同时可含有电容、电阻等无源器件，电子连接器、传感器、天线、电池等各种元件，他强调功能的完整性，具有更高的应用导向性。
目前，SIP的形式可说是千变万化，就芯片的排列方式而言，SIP可能是2D平面或是利用3D堆叠，如图2（a）所示，或是多芯片封装以有效缩减封装面积，如图2（b）所示；或是前述两者的各种组合，如图2（c）所示，和多芯片模组封装的定义不大相同，其内部结合技术可以是单纯的丝线接合，也可使用倒装芯片接合，也可以两者混用，甚至还有用TAB或其他的芯片级内部连接，或是上述方式的混合，更广义的SIP还包含了内埋置无源器件或有源器件的功能性基板结构，以及包含光电器件集成为一体的设计等。
由SIP结构所产生的散热问题大致有以下几点：
1）芯片堆叠后发热量将增加，但散热面积并未相对增加，因此发热密度大副提高；
2）多芯片封装虽然仍保有原散热面积，但由于热源的相互连接，热耦合增强，从而造成更为严重的热问题；
3）内埋置基板中的无源器件也有一定的发热问题，由于有机基板或陶瓷基板散热不良，也会产生严重的热问题；
4）由于封装体积缩小，组装密度增加，使得散热不易解决，因此需要更高效率的散热设计。
评估IC封装热传导问题时，一般采用热阻的概念，由芯片表面到环境的热阻定义如下：
其中Tj是芯片界面温度，Ta是环境温度，P是发热量。
热阻大表示器件传热阻抗大，热传困难，因此较容易产生热的问题，热阻小的表示器件传热较容易，因此散热问题较小，除了几个不同热阻值的定义之外，还有热传特性参数等定义，了解不同热阻的定义及用途，对于电子热传设计非常重要，不同热阻组成的热阻网络，可分析器件热传特性。
分析SIP封装时，两类重要的结构特性分别是3D堆叠芯片封装及多芯片封装，对散热都有显著的影响，在传热分析上和单芯片封装的概念是相同的，都可以用热阻网络来解析，3D芯片堆叠封装或多芯片封装则较为复杂。
以散热路径来看，封装中芯片产生的热主要分成向上和向下两部分，向上部分的热会透过封装上表面传递到环境空间，向下的热则是透过PCB或陶瓷基板传递到环境空间。
在自然对流条件下可假设封装产生的热大部分都往下传，因此向上的热阻路径可以忽略，对于3D芯片堆叠而言，热源是以串联方式增加，因此器件发热密度相应增如，图3（a）所示，而多芯片封装则有不同的热阻网络架构，并联的热源使发热密度大幅度增加，如图3（b）所示，分析结果显示，对相同发热量的芯片而言，堆叠芯片封装中越下方的芯片越低，而多芯片封装中相同尺寸的芯片温度会比较接近。
对于SIP封装而言，若要从内部传出热量，必须缩短传热路径或减少路径中的热阻。
这可通过由改变布局设计或是封装结构实现，也可由增加材料热传性能来实现，另外则可由外加均热片或散热片来降低热源的集中，以图4的例子而言，当环境对流明显时，可把产生最热的芯片放置在最外面的内插板上来增加和空气接触的面积，或者通过提高内插板的热传导系数，甚至使用较薄的内插板和芯片，可以降低热阻和增强封装结构热的性能，此外也可使用散热通道来降低芯片表面到空气的热阻。