隨著消費者對更小、更快要求的進一步加強，在解決密度日益提高的印刷電路板（PCB）散熱問題方面出現(xiàn)了艱巨的挑戰(zhàn)。隨著堆疊式微處理器和邏輯單元達到GHz工作頻率范圍，高性價比的熱管理也許已經(jīng)成為設(shè)計、封裝和材料領(lǐng)域的工程師亟需解決的優(yōu)先級問題。

　　制造3D IC以獲得更高的功能密度已經(jīng)成為當前趨勢，這進一步增加了熱管理的難度。仿真結(jié)果表明，溫度上升10℃會使3D IC芯片的熱密度翻一倍，并使性能降低三分之一以上。

　　微處理器的挑戰(zhàn)

　　國際半導體技術(shù)藍圖（ITRS）的預(yù)測表明，在今后三年內(nèi)，微處理器內(nèi)難以冷卻區(qū)域中的互連走線將消耗高達80%的芯片功率。熱設(shè)計功耗（TDP）是評估微處理器散熱能力的一個指標。它定義了處理器達到負荷時釋放出的熱量以及相應(yīng)的殼溫。

　　Intel和AMD公司微處理器的TDP在32W至140W之間。隨著微處理器工作頻率的提高，這個數(shù)字還會繼續(xù)上升。

　　擁有數(shù)百個計算機服務(wù)器的大型數(shù)據(jù)中心特別容易遭遇散熱問題。根據(jù)一些估計數(shù)據(jù)，服務(wù)器的冷卻風扇（可能消耗高達15%的電能）實際上已經(jīng)成為服務(wù)器中及其本身的一個相當大的熱源。另外，數(shù)據(jù)中心的冷卻成本可能占數(shù)據(jù)中心功耗的約40%至50%.所有這些事實對局部和遠程溫度檢測及風扇控制提出了更高的要求。

　　熱量管理挑戰(zhàn)在遇到安裝包含多內(nèi)核處理器的PCB時將變得更加艱巨。雖然處理器陣列中的每個處理器內(nèi)核與單內(nèi)核處理器相比可能消耗較少的功率（因而散發(fā)較少的熱量），但對大型計算機服務(wù)器的凈效應(yīng)是給數(shù)據(jù)中心的計算機系統(tǒng)增加了更多的散熱。簡言之，在給定面積的PCB板上運行更多的處理器內(nèi)核。

　　另外一個棘手的IC熱管理問題涉及到芯片封裝上出現(xiàn)的熱點。熱通量可以高達1000W/cm2，這是一種難以跟蹤的狀態(tài)。

　　PCB在熱管理中發(fā)揮著重要作用，因此需要熱量設(shè)計版圖。設(shè)計工程師應(yīng)該盡可能使大功率元件相互間隔得越遠越好。另外，這些大功率元件應(yīng)盡可能遠離PCB的角落，這將有助于化功率元件周圍的PCB面積，加快熱量散發(fā)。

　　將裸露的電源焊盤焊接到PCB上是常見的做法。一般來說，裸露焊盤類型的電源焊盤可以傳導約80%的通過IC封裝底部產(chǎn)生并進入PCB的熱量。剩下的熱量將從封裝側(cè)面和引線散發(fā)掉。

　　散熱幫手

　　設(shè)計工程師現(xiàn)在可以向許多改良的熱管理產(chǎn)品尋求幫助。這些產(chǎn)品包括散熱器、熱導管和風扇，可以用來實現(xiàn)主動和被動的對流、輻射和傳導冷卻。即使是PCB上安裝芯片的互連方式也有助于減輕散熱問題。

　　例如，用于將IC芯片互連到PCB的普通裸露焊盤方法可能會增加散熱問題。當把裸露的路徑焊接到PCB上時，熱量會很快逸出封裝并進入電路板，然后通過電路板的各個層散發(fā)進周圍的空氣。

　　德州儀器（TI）發(fā)明了一種PowerPAD方法，能把IC裸片安裝到金屬盤上。這個裸片焊盤將在制造過程中支撐裸片，并作為良好的散熱路徑將熱量從芯片中散發(fā)出去。

　　TI公司的模擬封裝產(chǎn)品經(jīng)理Matt Romig指出，TI的PowerStack方法是種可以堆疊高側(cè)垂直MOSFET的3D封裝技術(shù)。這種技術(shù)將由銅夾固定位置的高側(cè)和低側(cè)MOSFET整合在一起，并使用地電位的裸露焊盤提供熱優(yōu)化設(shè)計。采用兩個銅夾連接輸入和輸出電壓引腳可以形成更高集成度的扁平方形無引線（QFN）封裝功率器件的熱量管理具有更大的挑戰(zhàn)性。更高頻率的信號處理和縮小封裝尺寸的需求使傳統(tǒng)冷卻技術(shù)逐漸邊緣化。Advanced Thermal Solutions公司總裁兼執(zhí)行官Kaver Azar建議使用帶水冷式微通道的嵌入式薄膜熱電器件。

　　Azar構(gòu)想了這樣一個解決方案：限度地減小散熱路徑中的熱阻--擴散熱阻，方法是將一個散熱裝置直接綁定到微處理器裸片。

　　這種方法可以將小型微處理器裸片上聚集的熱量發(fā)散到更大的散熱器基座上，然后再將熱量散發(fā)到周圍環(huán)境中。這種內(nèi)置強制熱擴散器在硅封裝中整合了微通道和迷你通道。通道內(nèi)的水流速度大約為0.5至1升/分鐘。

　　仿真結(jié)果表明，在球柵陣列（BGA）封裝中的10×10mm裸片上，一個120×120mm的散熱器底盤面積可以產(chǎn)生0.055K/W的熱阻。使用熱導率等于或大于鉆石的散熱材料可以產(chǎn)生0.030K/W的熱阻。

　　Nextreme Thermal Solutions公司營銷與業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁Paul Magill也推薦熱電冷卻技術(shù)，并宣稱應(yīng)從芯片級開始冷卻。該公司提供電子元件內(nèi)部深度的局部熱管理技術(shù)。該技術(shù)使用了名為熱泵的微型薄膜熱電（eTEC）結(jié)構(gòu)。這種主動散熱材料被嵌入倒裝芯片互連（如銅柱焊錫凸塊）供在電子封裝中使用。

　　在芯片晶圓、裸片和封裝級實現(xiàn)局部冷卻可以產(chǎn)生重要的經(jīng)濟效益。例如，在擁有成千上百個先進微處理器的數(shù)據(jù)中心，這種方法的效率要比使用價格更高、體積更大的空調(diào)系統(tǒng)散熱高得多。

　　在像LED等一些器件中，組合使用被動和主動冷卻技術(shù)可以提高器件性能和壽命。例如，在散熱器中使用風扇通常可以將熱阻減小到0.5℃/W，這與單獨使用被動冷卻（散熱器）達到的典型10℃/W相比有顯著的改善。

　　重復(fù)仿真

　　熱量控制一直是而且還將繼續(xù)是實現(xiàn)更高IC性能的限制因素之一。在這些越來越小的IC及它們的封裝中，空間越來越寶貴，幾乎沒有空間留出來幫助冷卻。這迫使設(shè)計工程師考慮使用外部冷卻技術(shù)以及不斷改進的新型冷卻材料。

　　不管怎樣，基本的前提仍然成立：設(shè)計工程師必須更多地關(guān)注熱力科學才能實現(xiàn)的冷卻解決方案。整個過程應(yīng)從熱分析軟件開始，這遠早于設(shè)計投入生產(chǎn)之時。

　　這正是仿真軟件工具入場的絕好時機。像明導資訊公司（Mentor Graphics）的Flotherm 3D V.9軟件工具等產(chǎn)品就能幫助3D IC設(shè)計工程師確定發(fā)熱量，并在熱問題發(fā)生時幫助他們解決。這種計算流體力學（CFD）產(chǎn)品提供了瓶頸（Bn）和捷徑（Sc）場的映像。這樣工程師就可以知道設(shè)計中哪里發(fā)生了熱流擁塞并確定發(fā)生的原因。

　　據(jù)明導公司機械分析事業(yè)部總經(jīng)理Erich Bürgel介紹，創(chuàng)新的Bn場可以表明設(shè)計的散熱路徑在哪里發(fā)生了擁塞，因為它總是企圖從高結(jié)溫點向周圍環(huán)境點流動。Sc場強調(diào)了通過增加一個簡單要素（如空隙焊盤或機箱突出物）創(chuàng)建一個新的高效熱流路徑的可能方法。

　　Flotherm 3D V.9支持導入XML模型和幾何數(shù)據(jù)，用于幫助該軟件集成進數(shù)據(jù)流。Flotherm還能直接連接明導的Expedition PCB設(shè)計平臺。因此，用戶可以增加、編輯或刪除各個對象，如散熱器、熱過孔、電路板切塊和電磁罐等，以實現(xiàn)更加的熱建模。

　　有了熱仿真后，設(shè)計工程師無需建立和測試原型就能預(yù)測初始設(shè)計和后續(xù)設(shè)計的熱性能。諸如散熱片數(shù)量、散熱片厚度、散熱器底座厚度以及散熱界面材料的熱阻等設(shè)計變量應(yīng)加以考慮。

　　正確的熱模型對于計劃使用由薄裸片組成的邏輯和存儲器件的未來3D IC來說非常重要，因為薄裸片會顯著減少側(cè)向熱量擴散。隨著裸片厚度的縮小，更高溫度的點將變得更加普遍。邏輯裸片上的熱點會造成存儲器裸片中的局部溫升，這可能會縮短DRAM數(shù)據(jù)保持時間。

　　比利時大學間微電子中心（IMEC）的研究人員已經(jīng)驗證了用于下一代3D混合堆疊IC設(shè)計的正確熱模型。這些3D堆疊芯片非常像未來的商用芯片，由堆疊在商用DRAM之上的IMEC專有邏輯CMOS IC組成。堆疊是利用硅通孔（TSV）和微型凸塊實現(xiàn)的。這項研究工作是IMEC和合作伙伴富士通（Fujitsu）、Globalfoundries、Intel、美光（Micron）、松下（Panasonic）、高通（Qualcomm）、三星（Samsung）、索尼（Sony）和TSMC之間合作開展的。

　　IBM計劃在今后的3D IC處理器中使用微通道水冷技術(shù)，如準備在2013年推出的Power8處理器。IBM公司瑞士蘇黎世研究中心熱封裝部經(jīng)理Bruno Michel透露，高能效的熱水冷卻技術(shù)是IBM零排放數(shù)據(jù)中心概念的一部分。為了冷卻在幾乎相同空間內(nèi)比單個處理器產(chǎn)熱更多的3D堆疊芯片，使用水替代空氣可減少能耗。

　　PNY Technologies公司的XLR8 GTX 580 GeForce圖形卡中也采用了液體冷卻的CPU，這種圖形卡主要用于極具挑戰(zhàn)性的圖形密集型游戲產(chǎn)品。PNY還和CPU熱管理公司Asetek聯(lián)合生產(chǎn)一種提供給游戲迷和他們的GPU/CPU冷卻系統(tǒng)使用的產(chǎn)品。

　　這種組合設(shè)計采用了閉環(huán)系統(tǒng)和Asetek的密封水冷卻器，可以為消費者提供直接可用、方便安裝的產(chǎn)品，價格是649.99美元。PNY宣稱新系統(tǒng)與標準參考設(shè)計的Nvidia GeForce GTX 580圖形卡相比可以在冷卻溫度、噪音和性能方面提升高達30%的幅度。

　　通過水冷進行熱管理也被種類廣泛的功率器件所采用，如半導體閘流管、MOSFET和硅控整流器（SCR）。Ixys公司子公司W(wǎng)estcode Semiconductors開發(fā)的XW180GC34A/B就是一個很好的例子。這種鍍鎳散熱器具有127mm直徑的接觸盤，非常適合電極觸點直徑高達125mm的緊壓包裝器件使用。

　　典型的散熱器到輸入水熱阻在流量為10升/分鐘的情況下是4.3K/kW（兩個冷卻器加一個半導體器件）和5.6K/kW（三個冷卻器加兩個半導體器件）。散熱器可以有也可以沒有完整的連接總線條。

　　“冷卻器的典型應(yīng)用是迷你型兆瓦功率級器件和大功率整流器，比如在重工業(yè)應(yīng)用中，或用于電氣火車軌道旁的變電站，以及發(fā)電和配電應(yīng)用中。”Westcode公司營銷與技術(shù)支持經(jīng)理Frank Wakeman表示，“這些冷卻器提供的高效冷卻功能可以幫助消費者用更小的體積實現(xiàn)更高功率密度的系統(tǒng)。”