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随着芯片行业向异构集成迈进，前辈封装成为实现摩尔定律扩展、提升性能和功能的关键技能。如何有效地管理封装中的热量成了比较大的问题。本文关注前辈封装中热管理有哪些寻衅，并先容办理这些寻衅的创新方法。
Part 1
异构集成的热管理寻衅和关键
在前辈封装中，通过垂直堆叠各种组件，将更多特性和功能封装到设备中，相较于仅缩小数字电路，使得更多功能能够被整合到标线大小的SoC中。这也带来了热管理的困境。单个芯片上旗子暗记路径短，基板能够有效散热，但在封装中存在多个芯片时，基板和电介质须要更薄，限定了热耗散的能力。多个芯片集成到一个封装中可能导致难以预测的热点，特殊是在不同的事情负载和用例下。随着供应商在封装中放置的芯片数量增多，如何分布和管理热量成为一个关键问题。供应商放置8、10或12个芯片，如何将热量分布到各处成了最为关键的点。
异构集成的成功取决于有效的热管理，以确保封装中的芯片保持可接管的温度以实现可靠运行。材料选择成为异构集成中热管理的关键成分。不同组件的热膨胀系数（CTE）不同，泰平承平和冷却会导致材料以不同速率膨胀和紧缩，可能引起机器应力，危害芯片完全性。选择具有相似CTE的材料有助于减少这些应力，降落早期失落效风险，关键在于处理3D尺度上的CTE，这涉及到材料的创新和工艺的改进。
在热管理方面，异构集成哀求在设计阶段就考虑热剖析和设计优化。发展需求领域包括前辈的热流建模技能、高导热率和低导电率的新材料，以及能够集成到繁芜封装中的新型冷却办理方案。设计过程中的热剖析不再是事后的考虑，而是从设计到制造的全体流程中的一部分。工程师必须考虑不同芯片的功耗、事情模式下的热量分布等成分，并在RTL布局方案阶段实行这些操作。这须要多学科的设计方法，涉及热学、电磁滋扰和机器工程等领域的专业知识。
Part 2
创新的材料和设计方法
创新的材料和设计方法面对异构集成中的热寻衅，行业必须不断创新材料和设计方法。新型热界面材料（TIM）的开拓变得至关主要，这些材料在芯片与冷却器之间供应高效的热传导路径，同时不影响芯片的性能。
为了战胜翘曲、裂纹等问题，须要开拓具有兼容特性的新材料，确保它们在制造和组装过程中能够经受住磨练。这些基材材料的发展可能比界面材料、粘合剂等更慢，取决于工艺条件以及如何管理这些条件，在加工方面可以做得更好的地方是与粘合剂制造商互助，理解温度的变革，然后在设计层面上理解所有这些堆叠如何发展，考虑到这些温度的变革。
随着半导体行业不断打破性能和集成的界线，前辈封装中的热管理仍旧是一个不可忽略的寻衅。转向更密集封装的多芯片模块，热繁芜性不断升级，材料科学和创新的冷却技能进步正在努力减轻由此产生的热应变。
在办理热管理寻衅方面，新材料的发展成为关键的一环。一些材料，如金刚石、氧化铍、氮化铝、氮化硼等化合物，以及氮化硅，在共价键和阴阳离子质量方面表现出强大性能。只管这些材料在供应高导热率方面表现出色，但由于其制造上的寻衅，须要高温烧结工艺，因此存在寻衅。
复合股料的利用成为战胜这些寻衅的一种路子。例如，在环氧复合股猜中加入氮化铝，虽然导热性不及固体陶瓷，但仍可部分实现热处理的上风。这种稠浊材料的运用在电子封装中至关主要，由于电子封装须要既能有效导电又能接管足够热量以防止影响旗子暗记性能的材料。
金刚石因其极高的硬度而被广泛认知，是范例的热导体和绝缘体。聚四氟乙烯等聚合物质料虽然电导性不如陶瓷或金刚石，但在导热性和电绝缘性方面仍旧赛过许多塑料。陶瓷材料如玻璃、瓷器等都具备良好的绝缘和导热特性，为实际运用供应了可行的办理方案。
氮化铝（AlN）作为绝缘体在半导体器件中的运用也相称广泛，尤其是在弥合芯片和传热组件之间的间隙。只管其导热性不及氧化铍，但由于供应了更安全、更具本钱效益的替代方案，AlN在热管理方面仍具有上风。
合成蓝宝石以其经济实惠和可塑性成为半导体封装领域的有代价的参与者。这些材料在封装设计中展现出独特的上风，特殊是在须要卓越的电绝缘体来管理热量的情形下。
除了分外和刚性组件外，导热油脂和粘合剂等材料在电子封装中发挥着关键的浸染。虽然它们的导热性能不及一些范例的陶瓷材料，但它们在添补小间隙或表面不规则之处，促进组件之间的热通报方面供应了主要的支持。
随着新材料为散热铺平道路，创新的冷却技能也在不断发展。硅微通道作为微型通道被蚀刻在基板上，直接将冷却剂运送到热点的中央，优于传统散热器。然而，这种直接冷却方法在设计、组装和可靠性方面仍面临寻衅。
闭环液体冷却系统的发展有望在供应较低的事情温度的同时战胜气流方法的限定。这些系统的设计和工艺处理仍须要更多的研究。
对付改变芯片构造的选择，例如将逻辑放在内存之上，并在顶部放置散热器，供应了一种有望减少功耗和提高热量散发效率的路子。这种方法通过反转堆叠芯片的构造，使散热更为直接，避免了繁芜的热通路。
人工智能支持的实时热管理算法的运用也在不断增加。这些算法可以监控芯片内部位置的温度，动态调度冷却资源，确保最佳性能而不超过热红线。实时适应当地温度曲线的电源完全性变得越来越主要。
对相变材料和生物冷却系统的研究预示着未来可能会有更为被动和有效的温度调节方法。这些创新有望为热管理领域注入新的思路。
总结
总体而言，随着半导体行业的不断发展，办理异构集成中的热管理寻衅须要跨学科的创新和综合的办理方案。从材料科学到冷却技能，都须要在确保可预测和同等的热管理的同时，连续推动技能的边界。展望未来，我们有望看到更多打破性的材料和技能，为前辈封装供应更好的热管理办理方案。
