用于熱管理的散熱銅柱凸點

admin 2011-08-26

用于熱管理的散熱銅柱凸點

本文介紹了一種新型的電熱管理方法，采用散熱銅柱凸點為電子系統內部提供所需的冷卻能力。當接近熱源時，任何設備的主動冷卻都是最有效的。今天一切先進的中央處理單元（CPU）和圖形處理器（GPU）都采用倒裝芯片的封裝形式，其焊料凸點直接放在芯片中較活躍的區域。一種新的方法已經可以將熱活性物質集成在這些焊料凸點中，尤其是銅柱凸點。當熱電材料放在封裝中，性能系數（COP），或者說散去的功率與可散功率之比一般為1左右；但若該材料被放置在凸點中，則性能系數可達4、6或8。這為電子行業中非常令人困擾的熱問題提供了十分具有吸引力的解決方案。能量/熱/效率之間的折衷對于過去能量發展趨勢的研究表明，20 GHz的芯片會消耗和產生1 kw的能量。在筆記本電腦、臺式電腦，甚至服務器環境中管理這種量級的能量是根本不可能的。更重要的是，隨著芯片功率的增加，整個芯片的功率非均勻性也在增加。在芯片表面上分布的能量看起來像一個山脈，山峰代表芯片上最高功率密度和最高溫度水平。在一個低功耗芯片（35 W英特爾雙核）中，這種分布看起來像柔和綿延的山丘。
而在高功率芯片（大于120 W）中，它可能類似于喜馬拉雅山那樣的陡峭。不幸的是，這些溫度比芯片上其他區域高的“山峰”卻代表了一個潛在的故障點。如果電路不能在峰值功率點得以工作的話，整個芯片都將無法正常工作。能量的非均勻分布遍及整個系統的各個層面。如果不能有效的解決這些問題，將會降低所有的系統級效率。在一個典型的電路板上，一些芯片的功率高于平均值，有些則低于平均值。因此，整個電路板就呈現出熱的二級分布。再次，由于電路密度增加，整體功率水平上升，環境狀況變得更加的嚴峻，而這些非均勻分布變得更具挑戰性，直接影響了電腦的正常使用。隨著電子產品中功率及熱量的非均勻分布程度不斷增加，熱管理方案尚未跟緊腳步，以有效地處理這些問題。鼓風機和風扇，可以用來冷卻計算機系統，但如果熱剖面是非均勻的，他們可能過冷或是超過某些器件的默認指標。當芯片運行過熱時，過冷會導致芯片的早期故障及內部失效。比如說，應用在服務器主板上功率MOSFET的冷卻水平不適于中央處理器。結果就是它們運行得過熱，在電路板上產生了過多的熱量并且運行低效。另一種選擇，就是過度冷卻，這對于電子產品來說總體上是好的，但會導致非常低的系統效率和不可接受的能源消耗。對于此類問題，熱管理行業以熱管（引導熱量遠離高功率區域，如在CPU與GPU之間）

和風扇或散熱片形式的解決方案，可給最高功率的設備提供局部散熱管理。盡管這些解決方案可用于解決單個芯片上的平均熱功率問題，但是它們不能處理芯片內部的熱不均勻性。即使這些解決方案是有效的，但也無法適用于以下兩種情況。第一，無法擴展到整個芯片組；第二，不可能縮小到最新芯片要求的水平（實現僅僅5℃的額外冷卻，對一個典型的芯片需要增加2-4倍的散熱面積）。
新方法我們為需要內部冷卻的電子系統開發了一種新方法，可以為電子系統內部的散熱提供適當的冷卻。這種做法不會取代系統級冷卻，而且對于排除熱量來說仍然需要系統級冷卻；相反，它從根本上引入了一種新方法，實現芯片和電路板級的熱均勻分布。以這種方式，系統級散熱管理將變得更加高效。由于這些解決方案可以實現等比例的縮小（大的系統有更大的扇出），這種新方法也適用于芯片級應用。新的方法是將薄膜熱電材料集成到倒裝芯片的焊料凸點中。這樣可以直接在芯片表面完成主動散熱管理或發電，并采用行業可接受的制造方法可確保無縫集成。與傳統的提供電氣通路及機械結構的焊料凸點不同，“散熱焊點”可作為一個微型的固體熱泵。對于每個凸點，當有電流通過時會發生熱電冷卻（TEC）。換句話說，當有電流通過材料時，熱凸點在一側冷卻，并將熱量轉移到另一側，這是眾所周知的珀耳帖效應（Peltier effect）。
另一方面，當散熱凸點受到溫度梯度的影響時（例如，頂部比底部熱），就會產生熱電發電（TEG）。在這種情況下，該裝置可產生電流，將熱能轉換成電能。這就是塞貝克效應（Seebeck effect）。熱設計 http://www.93ssc.com
散熱凸點可集成在標準的倒裝芯片工藝中（圖1）。由于可將這一功能集成在設計與制造設備中，未來的芯片可能將電凸點（用于功率、地線和信號）和散熱凸點（用于冷卻、溫度控制和潛在發電）結合起來使用。以這種方式，散熱凸點可為電子產品設計提供了新的功能。今天，我們將晶體管、電阻、電容集成到傳統的電路中，而在將來，有可能以相同的方式將散熱管理集成到電路內部。

銅柱焊料凸點隨著高密度互連的發展，開發出了銅柱焊料凸點（CPB）。由于以下幾個優勢，CPB成為傳統焊料凸點頗具吸引力的替代品。首先，CPB的線寬不由體積較大的焊料決定，而是取決于電鍍銅支柱的尺寸。這比已知所有傳統焊料凸點的間距都小。第二，因為大部分的互連使用的是銅材料，需要制造一個凸點所需的焊料用量大為降低。在鉛基焊料中，可降低鉛含量，這對于環境問題十分重要（RoHS協議）。第三，銅比一般二元或三元焊料的熱傳導率要高。例如，共晶SnPb（63％錫，37％的鉛）的導熱系數約為40 W/mK，而銅是386 W/mK。這意味著相同的幾何形狀下，與傳統的焊料凸點相比，CPB的導熱能力可以提高近十倍。第四，由于銅支柱在回流焊的時候不改變形狀，它們不容易出現體積再分配，而體積再分配會導致凸點中的孔洞（缺陷），增加寄生電阻并降低可靠性。
薄膜熱電技術
有證據表明，薄膜熱電技術可以提供遠優于傳統體顆粒熱電產品的高散熱能力。對于熱電制造來說，薄膜相對于較厚體材料的優勢可用下式表達：
其中，Qmax（模型的最高散熱值）與薄膜厚度L成反比。因此對于給定的活性區，使用薄膜制造的熱電冷卻器很容易得到10-40倍高的Qmax值。這使得薄膜TEC用于高熱流應用成為可能。除了增加散熱能力之外，使用薄膜可實現真正的新型熱電裝置。與厚度在1-3 mm的體散熱模塊相比，薄膜TEC可獲得低于100μm的厚度。最簡單的形式是將一個P或N型的
熱電偶（所有熱電裝置的基本組成元件）置于一層薄膜熱電材料與焊層之上，這樣在其底層就可以將電和熱耦合到電氣通路上。
散熱銅柱凸點
散熱銅柱凸點（TCPB，圖2）與現有的倒裝芯片制造設備相兼容，這種技術擴展了常規焊料凸點互連技術，利用已被廣泛接受的CPB工藝可為倒裝芯片元件提供主動集成冷卻。通過這種技術的改進，CPB內的發電可以進行能源循環應用。這項技術在根本上解決芯片上散熱與功率的難題。做個比喻，就像是將一所擁有過熱爐
灶的房子進行冷卻。比起空氣將整個屋子的溫度維持在熱爐的溫度上，它會更加有效地直接地對過熱因素廚房進行降溫。TCPB技術正是將這一方法引入到電子電路中。其結果是在現有半導體生產流程下，并不采用更高的系統級冷卻，卻可獲得更高的性能及效率。該技術已經獲得了數項世界第一：當電流通過時，60μm高的TCPB可以獲得60℃的溫差；TCPB表現出的最大散熱能力超過150 W/cm2；受熱時，已證明每個TCPB具有產生高至10 mW功率的能力。

散熱銅柱凸點的結構在圖中，熱電腿的掃描電鏡截面圖清楚地表明，熱電元件等同于一個有附加層的結構，類似一個堆棧結構。附加的熱電層將一個標準的CPB轉換成一個主動式的TCPB。當恰當的設置電及熱性能后，這種元件可將主動的熱電熱量從凸點的一邊轉移到另一邊。熱量轉移的方向是由熱電材料的摻雜類型（不論是n型或p型半導體）和通過的電流決定的（珀耳帖效應）。反過來說，若允許熱量從熱電材料的一邊轉移到另一邊，就會在這種材料中產生電流（塞貝克效應）。在這種模式中，電能是從熱電材料中的熱流產生的。如圖2所示，這種結構可以在珀耳帖效應和塞貝克效應兩種模式下運行，當然這兩種模式不是同時進行的。
圖3為典型CPB和薄膜TCPB的比較示意圖。這些結構很相似，都具有CPB和焊料的連接。其主要區分在于兩個焊料層之間是否要引入一個p或n型熱電層。CPB和TCPB的粘合劑可以選擇任意一種常用的軟焊料，包括，但不僅限于，SnPb共晶焊料，或是SnAg或AuSn。
圖4為TCPB的放大圖。顯示出這種設計另外幾個特點。首先，器件中的熱流由箭頭“熱流”標出。芯片上金屬線的設計有助于熱流通過TCPB。這些金屬線相互交錯堆疊而成，只有幾微米厚，可提供高導熱的通路，從下方電路中吸取熱量，將其釋放到TCPB中。如圖4所示，用于引導電流進入TCPB的金屬線可能會，也可能不會直接連接到芯片的電路上。在任一情況下，板上溫度傳感器和驅動電路都可用于控制TCPB，使其在閉環系統表現出最佳的性能。第二，由TCPB所帶走的熱量，及其傳熱過程中產生的附加熱，可能在基板或電路板內被阻塞。因為提供良好的散熱路徑可以改善TCPB的功能，所以背面有高導熱通路的TCPB有利于熱量的傳輸。基板可以是一種高傳導介質，如氮化鋁或金屬（如銅，鎢化銅，鉬化銅等）。在這種情況下，較高熱導率的基板將為阻塞的熱量提供一個自然的疏通途徑。它也可能是一個可以提供高密度互連的多層基板，如印刷電路板（PCB）。在這種情況下，PCB上的導熱系數可能比較差，但加入散熱通路（如金屬插栓）可以為阻塞的熱量提供很好的途徑。

因為TCPB與傳統的CPB在結構上很相似，因此TCPB結構的制造可以輕易地集成到現有基于CPB的工藝中。 TCPB可用許多不同的方式提供芯片制冷，其中包括：
一般冷卻——TCPB可均勻分布在整個芯片表面，可提供均勻的冷卻效果。這種情況下，TCPB可與標準的CPB混排在一起，用于信號、電源和地線的冷卻。為了將效果
最大化，TCPB被直接放在芯片有源電路的下方。TCPB的數量和密度是由芯片的熱負荷決定的。每對P/N對在特定的溫度差（T）和給定的電流下，能提供一個特定的散熱轉換能力（Q）。芯片上溫度傳感器（片載傳感器）可直接測量TCPB的性能，并為TEC驅動電路提供反饋。
高精度溫度控制——TCPB既能冷卻芯片也可加熱芯片，這取決于當前電流的方向。可以用來精確控制那些必須在特定溫度范圍內工作芯片的運轉溫度。舉例來說，對于許多光電元件，這是一個常見的問題。熱點冷卻——在微處理器、圖形芯片和其他高端芯片中，整個芯片的功率密度差別很大時會產生熱點。這些熱點嚴重限制了器件的性能。由于TCPB的尺寸小并且相對密度高，所以它們可以被放在有源芯片表面，這樣的結構設計非常適合用于熱點的冷卻。在這種情況下，TCPB的分布并不必那么的平均。更合適的設計是將TCPB集中在熱點區域，而低功率密度的區域每單位面積則僅需較少的TCPB。這樣，TCPB只是在需要的區域被大量應用，減少了促使系統冷卻及降低系統過度熱量所需的額外能源。除了芯片冷卻，TCPB可以用于高熱流互連，以提供恒定的的能量供給。這種能源的功率
通常是在毫瓦范圍內，是理想的涓流充電電池、無線傳感器網絡和其他電池操作系統的能源供給手段。