铜铝复合柱翼型散热器

为了解决散热问题，封装厂商在探索各种方法一些过热的晶体管可能不会对可靠性产生很大影响，但数十亿个晶体管产生的热量会影响可靠性。对于 AI/ML/DL 设计尤其如此，高利用率会增加散热，但热密度会影响每个先进的节点芯片和封装，这些芯片和封装用于智能手机、服务器芯片、AR/VR 和许多其他高性能设备。对于所有这些，DRAM布局和性能现在是首要的设计考虑因素。无论架构多么新颖，大多数基于 DRAM 的内存仍面临因过热而导致性能下降的风险。易失性内存的刷新要求（作为标准指标，大约每 64 毫秒一次）加剧了风险。“当温度提高到 85°C 以上时，就需要更频繁地刷新电容器上的电荷，设备就将转向更频繁的刷新周期，这就是为什么当设备变得越来越热，电荷从这些电容器中泄漏得更快的原因。不幸的是，刷新该电荷的操作也是电流密集型操作，它会在 DRAM 内部产生热量。天气越热，你就越需要更新它，但你会继续让它变得更热，整个事情就会分崩离析。”除了DRAM，热量管理对于越来越多的芯片变得至关重要，它是越来越多的相互关联的因素之一，必须在整个开发流程中加以考虑，封装行业也在寻找方法解决散热问题。选择最佳封装并在其中集成芯片对性能至关重要。组件、硅、TSV、铜柱等都具有不同的热膨胀系数 (TCE)，这会影响组装良率和长期可靠性。带有 CPU 和 HBM 的流行倒装芯片 BGA 封装目前约为 2500 mm2。一个大芯片可能变成四五个小芯片，总的来说，这一趋势会持续发展下去，因为必须拥有所有 I/O，这样这些芯片才能相互通信。所以可以分散热量。对于应用程序，这可能会对您有所一些帮助。但其中一些补偿是因为你现在有 I/O 在芯片之间驱动，而过去你在硅片中需要一个内部总线来进行通信。最终，这变成了一个系统挑战，一系列复杂的权衡只能在系统级别处理。可以通过先进的封装实现很多新事物，但现在设计要复杂得多，当一切都如此紧密地结合在一起时，交互会变多。必须检查流量。必须检查配电。这使得设计这样的系统变得非常困难。事实上，有些设备非常复杂，很难轻易更换组件以便为特定领域的应用程序定制这些设备。这就是为什么许多高级封装产品适用于大批量或价格弹性的组件，例如服务器芯片。对具有增强散热性能的制造工艺的材料需求一直在强劲增长。Chiplet模块仿真与测试进展工程师们正在寻找新的方法来在封装模块构建之前对封装可靠性进行热分析。例如，西门子提供了一个基于双 ASIC 的模块的示例，该模块包含一个扇出再分布层 (RDL)，该扇出再分配层 (RDL) 安装在 BGA 封装中的多层有机基板顶部。它使用了两种模型，一种用于基于 RDL 的 WLP，另一种用于多层有机基板 BGA。这些封装模型是参数化的，包括在引入 EDA 信息之前的衬底层堆叠和 BGA，并支持早期材料评估和芯片放置选择。接下来，导入 EDA 数据，对于每个模型，材料图可以对所有层中的铜分布进行详细的热描述。量化热阻如何通过硅芯片、电路板、胶水、TIM 或封装盖传递是众所周知的。存在标准方法来跟踪每个界面处的温度和电阻值，它们是温差和功率的函数。“热路径由三个关键值来量化——从器件结到环境的热阻、从结到外壳（封装顶部）的热阻以及从结到电路板的热阻，”详细的热模拟是探索材料和配置选项的最便宜的方法。“运行芯片的模拟通常会识别一个或多个热点，因此我们可以在热点下方的基板中添加铜以帮助散热或更换盖子材料并添加散热器等。对于多个芯片封装，我们可以更改配置或考虑采用新方法来防止热串扰。有几种方法可以优化高可靠性和热性能，”在模拟之后，包装公司执行实验设计 (DOE) 以达到最终的包装配置。但由于使用专门设计的测试车辆的 DOE 步骤耗时且成本更高，因此首先利用仿真。选择 TIM在封装中，超过 90% 的热量通过封装从芯片顶部散发到散热器，通常是带有垂直鳍片的阳极氧化铝基。具有高导热性的热界面材料 (TIM) 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 包括金属薄板合金（如铟和锡）和银烧结锡，其传导功率分别为 60 W/mK 和 50 W/mK。随着公司从大型 SoC 过渡到小芯片模块，需要更多种类的具有不同特性和厚度的 TIM。Amkor 研发高级总监 YoungDo Kweon 在最近的一次演讲中表示，对于高密度系统，芯片和封装之间的 TIM 的热阻对封装模块的整体热阻具有更大的影响。“功率趋势正在急剧增加，尤其是在逻辑方面，因此我们关心保持低结温以确保可靠的半导体运行，”Kweon 说。他补充说，虽然 TIM 供应商为其材料提供热阻值，但从芯片到封装的热阻，在实践中，受组装过程本身的影响，包括芯片和 TIM 之间的键合质量以及接触区域。他指出，在受控环境中使用实际装配工具和粘合材料进行测试对于了解实际热性能和为客户资格选择最佳 TIM 至关重要。孔洞是一个特殊的问题。“材料在封装中的表现方式是一个相当大的挑战。你已经掌握了粘合剂或胶水的材料特性，材料实际润湿表面的方式会影响材料呈现的整体热阻，即接触电阻，”西门子的 Parry 说。“而且这在很大程度上取决于材料如何流入表面上非常小的缺陷。如果缺陷没有被胶水填充，它代表了对热流的额外阻力。”以不同的方式处理热量芯片制造商正在扩大解决热量限制的范围。“如果你减小芯片的尺寸，它可能是四分之一的面积，但封装可能是一样的。是德科技内存解决方案项目经理 Randy White 表示，由于外部封装的键合线进入芯片，因此可能存在一些信号完整性差异。“电线更长，电感更大，所以有电气部分。如果将芯片的面积减半，它会更快。如何在足够小的空间内消散这么多的能量？这是另一个必须研究的关键参数。”这导致了对前沿键合研究的大量投资，至少目前，重点似乎是混合键合。“如果我有这两个芯片，并且它们之间几乎没有凸起，那么这些芯片之间就会有气隙，”Rambus 的 Woo 说。“这不是将热量上下移动的最佳导热方式。可能会用一些东西来填充气隙，但即便如此，它还是不如直接硅接触好。因此，混合直接键合是人们正在做的一件事。”但混合键合成本高昂，并且可能仍仅限于高性能处理器类型的应用，台积电是目前仅有的提供该技术的公司之一。尽管如此，将光子学结合到 CMOS 芯片或硅上 GaN 的前景仍然巨大。结论先进封装背后的最初想法是它可以像乐高积木一样工作——在不同工艺节点开发的小芯片可以组装在一起，并且可以减少热问题。但也有取舍。从性能和功率的角度来看，信号需要传输的距离很重要，而始终开启或需要保持部分关断的电路会影响热性能。仅仅为了提高产量和灵活性而将模具分成多个部分并不像看起来那么简单。封装中的每个互连都必须进行优化，热点不再局限于单个芯片。可用于排除或排除小芯片不同组合的早期建模工具为复杂模块的设计人员提供了巨大的推动力。在这个功率密度不断提高的时代，热仿真和引入新的 TIM 仍然必不可少。

01背景介绍随着集成电路和电子器件技术的快速发展，高功率密度电子设备的有效散热已成为确保其可靠性和使用寿命的主要因素之一。热界面材料通常被用来填补散热器和发热元件之间的间隙，以消除由非流动空气产生的高界面热阻。聚合物基材料因其轻质、电绝缘和高机械强度而被广泛用作导热材料。遗憾的是，由于分子构型无序，其固有热导率不能满足应用需求。一种可行的策略是将高导热填料与柔性和绝缘聚合物相结合，从而制备综合性能优良的复合材料。研究人员已经创造性地将各向异性的导热填料有序排列以获得具有优良各向异性导热性的TIM。由于导热路径最短，各向异性填料在基体厚度方向上的有效垂直排列以构建连续的传热路径，并进一步提高垂直透面导热系数，引起了研究人员的高度重视。人们已提出了电场或磁场、流动剪切力、定向冻结法和化学气相沉积等几种有效的策略来构建垂直取向结构以提高TIM的透面导热性。然而，垂直结构排列的二维填料并没有显示出明显的各向异性热导率增强。一维材料在其一个自由度的定向方向上可以达到最大的性能。近年来，碳纤维、碳纳米管、石墨烯等碳材料因其高导热性和优异的力学性能被广泛应用于TIMs的导热填料，其中一维中间相沥青基碳纤维的各向异性导热系数较高，轴向导热系数和径向导热系数分别约600 W/m K和小于10 W/m K，一维材料可以在特定方向上发挥最大的性能。02成果掠影四川大学陈枫教授团队采用中间相沥青基碳纤维，通过熔融挤压法制备了高取向度的短碳纤维(CF)/烯烃嵌段共聚物(OBC)复合材料，可提供高导热性、适度的电绝缘和良好的柔韧性。由于CF/OBC复合材料中CF的高取向度（f0.9，f是CF/OBC复合材料中CF的取向度），在 30 vol%的CF负载下表现出 15.06 W/m K的贯通面热导率，同时实现了良好的电绝缘（~10-9 S/m）和低压缩强度（2.62 MPa）。TIM测量的结果表明，垂直排列的CF/OBC显示出高效的散热能力，相比于随机结构温差可达 35.2°C，可用于冷却高功率LED器件。研究成果以“An efficient thermal interface material with anisotropy orientation and high through-plane thermal conductivity”为题发表于《Composites Science and Technology》期刊。03图文导读（a）具有垂直排列结构的CF/OBC复合材料的制备流程图；（b）CF的SEM图；（c）CF的拉曼光谱图；（d）挤出的长丝；（e）垂直排列的CF/OBC复合材料。（a）丝状物的横截面和（b）垂直排列的CF/OBC复合材料的SEM图；（c）垂直排列和（d）平行排列的2D-WAXS图案，CF含量分别是1,5,10,15,20,30 vol%时，平行排列样品的2D-WAXS图，虚线标记了CF的（002）平面的环；（e）相应的方位角整合的强度曲线。（f）不同CF含量样品中（002）平面的取向度；（g）纯OBC、CF和10 vol% CF/OBC的一维XRD图；（h）从表面和横截面的X射线方向的说明；（i）表面和（j）横断面的三维XRD图。CF/OBC复合材料的导热性能。（a）垂直、平行和随机样品的热导率；（b）随机、平行和垂直排列时30 vol% CF/OBC的比较；（c）各向异性随着CF含量的增加而增加；（d）反复加热和冷却循环后30 vol% 垂直的CF/OBC的典型热导率值；（e）各向异性热导率 30 vol% CF/OBC在不同温度下的各向异性热导率；（f）CF/OBC的电绝缘性能；100℃的条件下（g）示意图、（h）红外图和（i）样品顶部的温度。CF/OBC的机械性能。（a）打结的长丝；（b）弯曲和（c）扭曲的柔韧性；（d）平行排列和（e）垂直排列的CF/OBC块体的抗压应力-应变曲线；（f）比较平行结构和垂直结构之间的抗压强度随CF含量增加的变化。30 vol%的CF/OBC切片用于界面热管理。用于LED芯片散热测试系统的红外图像（a）加热和（b）冷却；(c)原理图和(d)中心区域的平均温度与运行时间的关系。

新京报讯 炎热的夏天，最舒服的事情，莫过于躲在家中，开启空调纳凉。然而，有多少人在享受空调时，想到要定期对它进行清洗消毒?否则，空调将吹出看不见的细菌、真菌，甚至可以在72小时内，吹霉一碗白米饭。　　日前，中国疾控中心、上海市疾控中心、复旦大学公共卫生学院等机构对上海、北京、深圳进行实地家用空调入户调研发现：88%的空调散热片细菌总数超标，84%的空调散热片霉菌总数超标 空调散热片中检出细菌超标最高可达1000倍以上。　　中华预防医学会消毒分会主任委员张流波介绍，空调除了吸附大量的灰尘外，还有螨虫、细菌、真菌等致病菌。运转时，空调内部，特别是散热片的细菌、真菌随出风口喷出，随呼吸道进入人体，容易导致人体出现头晕乏力，甚至患上感冒、鼻炎、哮喘等呼吸道疾病。因此，很多空调病不只是冷热交替造成的，空调里的污染也是祸源。　　家用空调里究竟暗藏多少污染源?日前，记者随中华预防医学会消毒分会专家和家安实验室工作人员，一起走进普通住户家，现场观测、取样，并送入实验室培养，实验结果令人瞠目。　　【实验1】　　空调72小时吹霉一碗米饭　　实验目的：测试空调是否会产生污染。　　实验过程：取两碗等量的白米饭，置于壁挂式空调下的桌子上，其中一碗盖好。关闭门窗，打开空调。72小时后，盖好的米饭只是略有变色，但敞露于空调下的那碗米饭，已经长毛，出现大片霉斑。　　市民疑问：6月份开空调前，刚把过滤网用洗洁精和水刷干净了，为什么还会这样?　　专家释疑：中华预防医学会消毒分会主任委员张流波介绍，空调使用一段时间后，外罩、过滤网表面就有沉积的灰尘和污垢，很容易清洗。但空调细菌最多聚集的部位——散热片却常常被忽视。　　作为空调冷热交换的核心部件，散热片除积聚污垢灰尘外，还会在冷凝水作用下滋生大量病菌。加上开空调时，通常会紧闭门窗，空气不流通，特别是夏天闷热潮湿，病菌更易滋生。　　【实验2】　　空调散热片藏匿大量细菌　　实验目的：通过肉眼，观察空调散热片上藏着多少污垢。　　实验过程：选一台使用了3年多，今年尚未清洗过的家用壁挂式空调。打开空调盖，露出的过滤网上，可看到一层厚厚的灰尘，用棉签和纸巾取样。卸下过滤网，可看到青黑色的空调散热片，乍看起来灰尘不多，但用棉签在散热片上清刮，可刮出黑灰色的絮泥状物。用白色纸巾取样，可看到散热片上附着大量污垢。　　市民疑问：黑色絮泥状的污垢有没有致病菌?　　专家释疑：张流波介绍，专业卫生机构检测发现，家用空调散热片上藏匿着大量细菌和真菌，平均的菌落总数每平方厘米高达4765个。其中致病菌主要包括霉菌、军团菌、金黄色葡萄球菌等大量病菌。空调运转时，散热片上的致病菌随出风口喷出，进入人体，易致头晕乏力，甚至患上感冒、肺炎等呼吸道疾病。　　【实验3】　　散热片污染远高于过滤网　　实验目的：比较空调散热片和过滤网的污染程度。　　实验过程：将实验2中收集好的样本放入培养皿，带入实验室，对样本进行细菌培养并计数。72小时后，实验结果出来了。空调过滤网上的霉菌总数为每平方厘米650个，细菌总数为每平方厘米270个 散热片上的霉菌总数每平方厘米为1110个，细菌总数为3100个。　　市民疑问：清洗空调，不能只洗过滤网吗?　　专家释疑：家安家居环境研究中心高级工程师张世新介绍，空调污染尤其是空调散热片污染——作为夏季室内最重要的污染源的认知仍存在很大的缺口，正成为影响家人健康的隐形杀手。调查显示，绝大多数人误以为只要把空调的过滤网罩清洗一下，就算空调清洁了。实际上，空调散热片上藏匿的污染远高于过滤网。　　【实验4】　　清洗剂喷洒可有效杀菌　　实验目的：对比空调清洗前后的污染程度。　　实验过程：关闭电源，卸下过滤网，用清水洗净 对散热片表面污垢取样。从超市购买专用的空调清洗剂，均匀喷洒在散热片上。静置10至15分钟，安装好空调，打开电源。此时，可以看到排污管排出黑色污水。40分钟后，关闭空调，重新对散热片取样。　　72小时后，可看到散热片清洗前的样本，霉菌培养皿中已经长出大片霉斑，霉菌含量每平方厘米2163.04个 细菌培养皿中，可看到底部呈浆糊状，其中布满淡黄色细小颗粒，细菌含量每平方厘米2599个。清洗后的霉菌和细菌培养皿基本是透明的，霉菌含量每平方厘米为9个，细菌含量每平方厘米40个。　　专家释疑：张流波介绍，因为散热片无法拆下来清洗，而且由于散热片结构的特殊性，简单擦拭也无法真正清洁。建议使用空调消毒清洗剂进行清洁消毒。　　■ 建议　　夏季空调应一月一清洗　　张流波表示，在关闭电源、通风的环境下，对准散热片均匀喷洒，就可以解决散热片污染问题。清洗后需要静置一段时间，是为了让消毒剂充分发挥作用。　　为确保消毒产品的安全性和有效性，建议空调清洗消毒剂使用具备卫生许可批件的“卫消字×××××号”产品。清洗剂的味道经过通风，很快可以散去，正规消毒产品的味道对人体无害。　　至于空调散热片清洗的频度，张流波说，春夏换季时，需要开启空调前，应该彻底清洗消毒一次 夏季，空调使用频繁，建议有条件的家庭，每月清洗一次空调，可避免空调污染。　　此外，张流波介绍，室外有的污染都会进入室内。家中尘埃，散热片上面都会有污染物，一般的空调不会去除PM2.5，除了定期清洁空调，关键还要靠居室良好的通风。