陶瓷封裝熱管理技術(shù)發(fā)展與標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀分析

Analysis of the Development and Standards Status of Thermal Management Technology for Ceramic Packaging

PENG Bo FAN Shichao LI Lixia （The 13th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation）

Abstract：Therapiddevelopmentofchiptechnologyhasbroughtunprecedentedchallenges toits thermalmanagement. Electronic packaging heat disspation isoneof the key measures to solve the thermalmanagement problem of chips.This paper systematicalyanalyzes the developmentof thermal management technology forsingle-chippackaging and multi-chip packaging，andconducts statisticalanalysis ontherelevantstandards forpackagingthermalmanagementathomeand abroad. It is of great engineering guiding significance for understanding the developmentoftechnology and standardization.

Keywords： ceramic; packaging; thermal management; standards

0 引言

集成電路芯片演進(jìn)的核心基石與標(biāo)志是摩爾定律。芯片特征尺寸在2019年已經(jīng)達(dá)到 7nm ，2021年演進(jìn)到 ，2023年推出首款 3nm 芯片，未來還將向 2nm 等遞進(jìn)。芯片集成度隨之以驚人的速度增大，從最初的單芯片只能集成幾十個(gè)晶體管，發(fā)展到目前單芯片可以集成數(shù)十億晶體管[]。

芯片技術(shù)的高速發(fā)展給其熱管理帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)， 55% 以上的電子器件失效是散熱問題導(dǎo)致的，器件工作溫度在 70^°C～80^°C 時(shí)每增加1C ，可靠性降低 5% 。未來，高性能計(jì)算系統(tǒng)和功率芯片熱流密度將達(dá)到 1000W/cm² ，局部熱點(diǎn)的熱流密度甚至可達(dá)數(shù)十千瓦/平方厘米 （kW/cm² ），已遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)熱管理技術(shù)百瓦/平方厘米（ ）的冷卻極限，芯片熱管理問題已成為保障其工作性能與可靠性的關(guān)鍵。

芯片熱管理是通過適當(dāng)?shù)姆庋b材料和封裝手段，實(shí)現(xiàn)恰當(dāng)?shù)纳峁δ?，使元器件、組件和系統(tǒng)工作于適當(dāng)?shù)臏囟拳h(huán)境。封裝大致分為3個(gè)層級(jí)，即芯片級(jí)、板級(jí)和系統(tǒng)級(jí)，如圖1所示。本文中芯片封裝屬于一級(jí)封裝，主要用于芯片密封、互連、供電、冷卻及機(jī)械支撐保護(hù)。芯片工作時(shí)，電流首先經(jīng)過一級(jí)封裝將芯片上的電信號(hào)連同熱量一起傳遞至外界，因此一級(jí)封裝散熱是解決芯片散熱的關(guān)鍵。

芯片封裝主要有陶瓷、塑料和金屬封裝3種[4]，在高可靠封裝領(lǐng)域絕大多數(shù)采用高溫共燒陶瓷（High Temperatureco-fired Ceramic，HTCC）封裝。本文以陶瓷封裝為研究對(duì)象，系統(tǒng)歸納總結(jié)了陶瓷封裝熱管理技術(shù)發(fā)展及其標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀，分析發(fā)展趨勢(shì)，在標(biāo)準(zhǔn)化視角上對(duì)陶瓷封裝熱管理技術(shù)提出可行性建議。

1陶瓷封裝熱管理技術(shù)發(fā)展

陶瓷封裝熱管理的目的是通過各種方法將封裝體內(nèi)部的熱量快速導(dǎo)出。封裝主要基于集成電路工藝方法的進(jìn)步，其研究趨勢(shì)跟隨著系統(tǒng)級(jí)封裝（SysteminPackage，SiP）的技術(shù)發(fā)展，封裝形式隨摩爾定律的演變，由單芯片封裝向多芯片封裝轉(zhuǎn)變。

1.1單芯片陶瓷封裝熱管理

對(duì)于單芯片陶瓷封裝，一般有鍵合類和倒裝類兩種封裝形式，其示意如圖2所示。散熱方式以熱傳導(dǎo)為主，少量情況存在熱對(duì)流。

單芯片陶瓷外殼類封裝多以第一代熱管理材料中鎢銅、鉬銅及其復(fù)合材料散熱為主。金屬盒體與陶瓷基板類封裝采用第二代熱管理材料中鋁碳化硅等材料散熱為主。對(duì)于單片微波功率器件類封裝部分采用第三代熱管理材料中金剛石基復(fù)合材料散熱為主[6-7]。結(jié)構(gòu)形式為純固體結(jié)構(gòu)，以固體材料為介質(zhì)熱傳導(dǎo)散熱為主。

雖然碳化硅、金剛石等增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料在熱管理領(lǐng)域已得到部分應(yīng)用，并開始逐步取代傳統(tǒng)的鎢銅、鉬銅及其復(fù)合材料等，但其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用仍存在一些問題。價(jià)格偏高、導(dǎo)熱性能達(dá)不到預(yù)期，是該類材料應(yīng)用開發(fā)亟待突破的瓶頸。以某國外公司的產(chǎn)品為例，其采用氣體壓力浸滲制備的金剛石/鋁（Dia/A1）復(fù)合材料的熱導(dǎo)率為430～460W/mK ，而金剛石/銅復(fù)合材料熱導(dǎo)率也僅為 450～470W/mK ，遠(yuǎn)低于預(yù)期值600＼～800W/mK ，極大地降低了材料的性價(jià)比。此外，新型熱管理材料的應(yīng)用還要與半導(dǎo)體材料、陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)相匹配，需要具有低密度、高導(dǎo)熱等特點(diǎn)，利于高可靠工程化應(yīng)用。

1.2多芯片陶瓷封裝熱管理

SiP是將具有不同功能的射頻電路、數(shù)字電路、天線、MEMS等多類型芯片和阻容元件封裝在同一封裝體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字、模擬、微波、光電等多種信號(hào)的集成。SiP具有鮮明的“多芯片、多功能、高可靠、小型（輕?。┗碧卣?，被譽(yù)為封裝技術(shù)的第四次革命如圖3所示，是封裝技術(shù)未來發(fā)展的主要方向，因此成為當(dāng)前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。

SiP從結(jié)構(gòu)上可分為兩類，一是多個(gè)芯片平面排布的二維封裝結(jié)構(gòu)（2DSiP），另一類是芯片垂直疊裝的三維封裝結(jié)構(gòu)（3DSiP），如圖4所示。3DSiP在垂直方向增加了芯片堆疊層數(shù)，進(jìn)一步提高了封裝集成度和功能整合能力。

SiP技術(shù)具有顯著的“三高”技術(shù)特征，即高頻率、高密度、高功率。針對(duì)高功率問題，3DSiP在垂直方向堆疊多芯片，提高了芯片集成度，但散熱問題更加突出。由封裝結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的散熱問題有以下幾點(diǎn)：（1）芯片堆疊后發(fā)熱量增加，但散熱面積并未相對(duì)增加，因此熱流密度大幅提高；（2）多芯片封裝雖然仍保有原散熱面積，但由于熱源的相互接近，熱耦合增強(qiáng)，從而造成更為嚴(yán)重的熱問題；（3）由于封裝體積縮小，組裝密度增加，使得散熱不易解決。單芯片陶瓷封裝散熱技術(shù)因體積龐大、散熱效率低以及集成難度大等缺點(diǎn)，已不能滿足高功率多芯片的熱管理需求。在微小尺度下實(shí)現(xiàn)陶瓷封裝的高效熱管理，已成為國內(nèi)外研究人員關(guān)注的重點(diǎn)方向。

過去幾十年來，多種熱管理技術(shù)得到了相應(yīng)的發(fā)展如圖5所示，包括自然對(duì)流中熱管理材料傳導(dǎo)、空氣冷卻到液態(tài)冷卻等。

20世紀(jì)80年代初，Tuckermand等將微流道熱沉用于高熱流密度電子器件散熱實(shí)驗(yàn)，散熱能力預(yù)計(jì)可達(dá) 1000W/cm² 的液態(tài)冷卻技術(shù)被深人研究，這些技術(shù)對(duì)于陶瓷封裝散熱非常有潛力，可以加快SiP陶瓷封裝熱管理技術(shù)的革新。微流道冷卻技術(shù)是利用微細(xì)加工等技術(shù)在基板上制造出微尺度通道，液體流經(jīng)微流道時(shí)，增加了單位體積的換熱面積，并在微流道中迅速發(fā)展成為核態(tài)沸騰，處于高度不穩(wěn)定狀態(tài)，具有極高的換熱能力，液體在流經(jīng)微流道時(shí)利用蒸發(fā)或直接將熱量帶走。

美國DARPA在2013年也啟動(dòng)了“芯片內(nèi)/芯片間增強(qiáng)冷卻”（ICECool）項(xiàng)目，旨在尋求芯片間/芯片內(nèi)熱管理解決方案，突破遠(yuǎn)程冷卻的局限性。通過將微流體冷卻注入基板、芯片或封裝內(nèi)以及在電子設(shè)計(jì)的最早期加入熱管理模式，探索“嵌入式”的熱管理。

2 陶瓷封裝熱管理相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)情況分析

2.1國外標(biāo)準(zhǔn)體系及標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

封裝熱管理標(biāo)準(zhǔn)集中于國外JEDEC、SEMI和

IEC標(biāo)準(zhǔn)中，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)大多沒有按封裝材料區(qū)分，專門針對(duì)陶瓷封裝的熱管理相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)較少。

（1）JEDEC

JESD51系列標(biāo)準(zhǔn)為單片半導(dǎo)體器件封裝熱測(cè)量方法的系列標(biāo)準(zhǔn)，是目前使用范圍較廣的系列標(biāo)準(zhǔn)，共有17項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，詳見表1，其中術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)、環(huán)境條件4項(xiàng)、測(cè)量方法3項(xiàng)、測(cè)試板類7項(xiàng)、設(shè)計(jì)指南1項(xiàng)、使用指南1項(xiàng)。

（2）SEMI

SEMI中與封裝熱管理相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)僅5項(xiàng)，詳見表2，其中測(cè)量方法4項(xiàng)、測(cè)試板類1項(xiàng)，測(cè)量方法按封裝材料進(jìn)行了區(qū)分。

（3）IEC

IECTC47/SC47D的工作范圍是制定有關(guān)半導(dǎo)體器件封裝的機(jī)械和熱方面、封裝組裝技術(shù)和測(cè)量方法的國際標(biāo)準(zhǔn)。在2021年之前，SC47D在熱標(biāo)準(zhǔn)方面沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。2021年1月日本國家委員會(huì)首次提出IEC63378半導(dǎo)體封裝熱標(biāo)準(zhǔn)化系列項(xiàng)目，并在近幾年大力研制相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，詳見表3和表

4。從表中可知，IEC與JEDEC、SEMI的熱管理標(biāo)準(zhǔn)不同，IEC63378系列主要集中于熱設(shè)計(jì)和熱仿真相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研制，填補(bǔ)了設(shè)計(jì)仿真方面的空白。

IECTC91工作組也對(duì)封裝基板類產(chǎn)品的熱管理相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)開始研究，從目前IEC對(duì)封裝熱標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)注可以看出，標(biāo)準(zhǔn)的制定趨勢(shì)與封裝發(fā)展趨勢(shì)一致，同時(shí)也將會(huì)給現(xiàn)行的半導(dǎo)體封裝標(biāo)準(zhǔn)體系帶來較大的變革。

2.2國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)情況

國內(nèi)關(guān)于封裝熱管理的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)較少，詳見表5，標(biāo)齡較長(zhǎng)，并且沒有形成系列標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)的顆粒度過粗，且缺乏先進(jìn)封裝熱管理相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在熱設(shè)計(jì)、熱仿真方面屬于空白。

后續(xù)需要加大國際封裝熱管理標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)化和研究工作力度，積極參與國際標(biāo)準(zhǔn)的研制工作。此外，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化也是技術(shù)水平的體現(xiàn)，作為半導(dǎo)體封裝大國，亟需依托現(xiàn)在技術(shù)基礎(chǔ)和能力，自主突破標(biāo)準(zhǔn)跟研的狀態(tài)，制定封裝熱管理標(biāo)準(zhǔn)化策略，配置相應(yīng)的資源，從行業(yè)整體發(fā)展考慮，系統(tǒng)管理、重點(diǎn)突破先進(jìn)封裝熱管理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，填補(bǔ)國際封裝標(biāo)準(zhǔn)空白。

3結(jié)語

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，呈現(xiàn)單芯片小型化、多芯片集成化發(fā)展趨勢(shì)，芯片技術(shù)的高速發(fā)展在推動(dòng)現(xiàn)代科技進(jìn)步的同時(shí)，也給其熱管理帶來了前所未有的挑戰(zhàn)，電子封裝散熱是解決芯片熱管理問題的關(guān)鍵之一?；趩涡酒母咝阅芑?、系統(tǒng)集成度化和芯片熱流密度大的特點(diǎn)，系統(tǒng)分析了封裝熱管理技術(shù)的發(fā)展，并且對(duì)于國內(nèi)外封裝熱管理相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

中國在半導(dǎo)體器件封裝領(lǐng)域發(fā)展較快，在先進(jìn)封裝研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化方面也取得了較大成果，要緊跟國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定，加快將國內(nèi)封裝熱管理技術(shù)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)、仿真、材料和測(cè)試等方面的科研成果轉(zhuǎn)化為國際和國家標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)、引領(lǐng)半導(dǎo)體封裝產(chǎn)業(yè)的快速、有序發(fā)展。

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