什么样的芭蕉扇，才能扇灭芯片堆叠的火焰山？

环顾四周，现如今中国的每一位半导体从业者正在走的路及未来将要走的路，或许正如西游记中所讲的一样：

我们终将在经历这九九八十一难之后，方可取得真金......

但和西游记不同的是，中国半导体人的取经之路：

或许没有那么多的法宝可借，更多的还是需要自研自创。

就比如，对于最近火热的先进封装而言：

想要迈过其火焰山——芯片堆叠的散热难题，找到一把特殊的芭蕉扇可谓是当务之急。

芯片散热风道模拟图，来自IEEE

预收其祸，必究其过。

我们在寻找解决方法之前，需要先知：“火焰山”的火是怎么来的？

首先我们要清楚，在以芯片堆叠为主的2.5D及3D等先进封装影响下，当今的整个半导体行业或许在芯片的散热上面临更多挑战：

就如西门子数字工业软件公司电子和半导体行业负责人John Parry说：

"在世界进入多核等领域之前，你面对的是一个芯片，其最大功率约为每平方厘米150瓦，这是一个单点热源；你可以在所有三个方向上散热，所以你可以达到一些相当高的功率密度”。

“但是，当你有一个芯片，把另一个芯片放在它旁边，然后再把另一个芯片放在它旁边，它们会相互加热；这意味着你不能容忍每块芯片有相同的功率水平，这使得热能挑战变得更加困难"。

当然对于芯片设计者而言，更为复杂的封装方式及相关材料的多样性，也让芯片的散热在整体性上变得不可把控：

硅、TSV、铜柱等组件都有不同的热膨胀系数（CTE），这影响了组装产量和长期可靠性。

且若你要以更高频率进行开启和闭合，那么有可能遇到热循环的问题：如印刷电路板、焊球和硅都会以不同的速度膨胀和收缩，这也导致热循环故障概率增加，特别是焊球可能会开裂。

众所周知，在理论层面：通过芯片堆叠为主的先进封装技术可以让低制程芯片在性能接近甚至超越高制程芯片，并且还能拥有良品率高、成本低等优势；但这也是有极限的，其中芯片堆叠的散热问题，就是其中的障碍之一：

对此，在华为19年的相关专利解释中就有提到：“通过芯片堆叠技术可以让7nm芯片拥有5nm芯片的性能表现，而14nm芯片则需要6颗芯片堆叠在一起，才能在晶体管数量上比得上一颗5nm芯片。”

这带来的结果就是：不仅是体积大增，同时由于线宽过小，会导致极间漏电流增大，逻辑错误增加，极间电容因为布线增多也会大幅增加，从而导致整体功耗增加数倍，进而也导致发热情况非常严重。

或许想要造扇灭火，我们还要从更多的2.5D/3D 封装中的热学管理中深究其原因：

其一：多功能芯片的堆叠使单位面积上的总功耗增大，产生的热量增高，且无有效的散热通道; 描述封装热性能的指标是结点至环境的热阻，热阻越高代表越难散热，封装的热性能越差。

其二：晶圆减薄后会导致芯片发生热量聚集，产生过热点。芯片或晶圆越薄，其最大结温和热阻越高，热点也就越集中。对于芯片的堆叠而言，堆叠芯片的数目越多，整体的最大结温越高。

火既然一早就已存在，且随着芯片的堆叠也呈现愈发明艳之势；那么芭蕉扇的存在就显得格外重要：

就如西游记中也存在两把芭蕉扇一样，针对芯片堆叠散热难题，其也分为外部散热及内嵌散热两种方式。

以较为成熟的外部散热为例：其会增加系统的复杂性，但是可以极大地提高系统的散热能力。

TIM散热导片示意图，图片来自：IEEE

最为著名的外部散热方式当属：TIM

TIM是一种高导热性的热界面材料。在封装中，90%以上的热量通过封装从芯片的顶部散发到散热器，通常是以阳极氧化铝为基础的垂直鳍片。

具有高导热性的热界面材料（TIM）被放置在芯片和封装之间，以帮助传递热量。用于CPU的下一代TIM包括金属片合金（如铟和锡），以及银烧结锡，其传导率分别为60W/m-K和50W/m-K。

随着厂商将SoC向chiplet工艺过渡，所以需要有更多不同性质和厚度的TIM：

Amkor公司的高级研发总监YoungDo Kweon表示：对于高密度系统来说，芯片和封装之间的TIM的热阻对封装模块的整体热阻影响更大。

功率趋势正在急剧增加，特别是对于逻辑，所以我们关注保持低结温以确保半导体可靠运行。

其实，就在此时，相关的嵌入式散热也在加紧布局中：

IBM的嵌入式散热，图片来自IBM

就以在美国国防先进研究计划局资助下，IBM去年研究出嵌入式散热方式为例：其主要方案是在解决3D堆叠芯片散热问题。

芯片嵌入式冷却技术通过将热提取电介质流体（如制冷系统中使用的电介质流体）泵入微小间隙中，不超过一根头发直径（100μm）级别的堆栈。

所使用的介电流体可以与电连接接触，因此不限于芯片或堆栈的一部分。该方案非常有利于芯片堆栈的散热，例如将存储器和加速器芯片置于堆栈中的高功率芯片之上，这可以提高从图形渲染到深度学习算法的各种速度。

当然相关的研究还在继续，早在2017年的IEDM大会上：

比利时微电子研究中心（IMEC）宣布针对高性能计算系统首次实现了基于冲击射流冷却的高效率、低成本散热技术。

其主要面向散热问题日益突出的3D堆叠高性能计算系统（High performance computation，HPC）；其散热性能达到0.15cm2K/W, 同时散热系统的泵功率可以降低到0.4W。

总的来说，以芯片堆叠技术为代表的先进封装是摩尔定律演进中出现的一种新的技术与产业模式；在新事物的诞生与发展的道路上总将充满着新的机遇与挑战。

或许，对每一位中国的半导体从业者而言：经历了漫漫取经之路，真经早已融入自己内心。

由于篇幅受限，本次散热就先介绍这么多......

想了解更多半导体行业动态，请您持续关注我们。

奇普乐将在每周，不定时更新~

最后的最后，借由——《西游记》吴承恩的一句名言：

见性志诚，念念回首处，即是灵山。

愿每一位半导体从业者可以——

秉初心，砺人生！