半導(dǎo)體芯片散熱面臨的挑戰(zhàn)

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半導(dǎo)體已受到熱量的限制，好的設(shè)計可以減少它，并幫助消散它。

半導(dǎo)體消耗的功率會產(chǎn)生熱量，必須將熱量從設(shè)備中排出，但如何有效地做到這一點是一個日益嚴峻的挑戰(zhàn)。

熱量是半導(dǎo)體的廢物。當功率在設(shè)備和電線上耗散時就會產(chǎn)生這種現(xiàn)象。設(shè)備切換時會消耗電力，這意味著它取決于活動，并且不完美的設(shè)備和電線不斷地浪費電力。設(shè)計很少是完美的，一些熱量來自于執(zhí)行不需要的功能的活動。但在某些時候，設(shè)計團隊必須弄清楚如何消除熱量，因為如果不這樣做，產(chǎn)品的使用壽命將非常短。

只有三個過程控制熱量的傳遞：傳導(dǎo)、對流和輻射。簡單來說，傳導(dǎo)適用于固體，對流適用于液體和氣體，輻射適用于真空，而這種情況在半導(dǎo)體中很少見。

“與熱量相關(guān)的三個步驟，” Ansys 半導(dǎo)體部門營銷總監(jiān) Marc Swinnen 說道?！坝挟a(chǎn)生、傳導(dǎo)和耗散。你產(chǎn)生熱量，將其傳導(dǎo)到某個地方，然后消散。功率分析告訴您熱量產(chǎn)生的位置。傳導(dǎo)和耗散是一種包括流體學的物理分析。所有這三個都必須包含在系統(tǒng)分析中，因為它們之間存在反饋?！?/p>

隨著晶體管密度的增加，這變得更加困難?！按蠖鄶?shù)人都可以改變導(dǎo)電路徑，”Cadence 多物理場系統(tǒng)分析小組的攝氏度熱解算器產(chǎn)品工程師 Karthick Gopalakrishnan說道?！安牧虾驮O(shè)計本身有改進的潛力，可以通過散熱設(shè)備的傳導(dǎo)帶走更多熱量。面臨的挑戰(zhàn)是，除非我們使用大型服務(wù)器，否則這些設(shè)備周圍的熱空間非常小。您必須考慮材料改進、芯片、封裝或 PCB 周圍熱空間的智能利用。你真正想做的是提高傳導(dǎo)傳熱率?！?/p>

如果不進行正確的分析，僅僅在設(shè)備上放置一個大型散熱器就會導(dǎo)致其他問題。要做到這一點，需要考慮氣流及其所在空間的機械設(shè)計，以便考慮到對其他設(shè)備的影響。

即使散熱器也有局限性?！坝泻芏喾椒梢韵到y(tǒng)中的熱量，例如強制液體冷卻，” Synopsys EDA 集團產(chǎn)品管理總監(jiān) William Ruby 說道?！拔覀兛吹揭恍└冗M的封裝取得了許多進步。通過 3D-IC 設(shè)計，可以采用強制氣流和液體冷卻。有一些關(guān)于能夠通過特殊通孔減輕熱量以幫助擴散的新概念?！?/p>

與導(dǎo)體和絕緣體之間存在數(shù)量級差異的電導(dǎo)率不同，熱導(dǎo)率在某種程度上受到限制。“硅的電導(dǎo)率為 100 至 120 瓦/米開爾文 (W/(mx K))，作為導(dǎo)熱材料，這已經(jīng)相當不錯了，”西門子數(shù)字工業(yè)軟件旗下 Simcenter 產(chǎn)品組合的電子與半導(dǎo)體行業(yè)總監(jiān) John Parry 表示?！般~的電導(dǎo)率只有 400，而銅通常被用作經(jīng)濟經(jīng)濟的最佳熱導(dǎo)體。”

各種大大小小的散熱器和冷板

還有其他經(jīng)濟方面的考慮。Arm系統(tǒng)集成與開發(fā)部研究員兼高級總監(jiān) Javier DeLaCruz 表示：“數(shù)據(jù)中心的主要成本驅(qū)動因素不是散熱方法的成本，而是管理數(shù)據(jù)中心級別熱傳遞的運營成本?！薄斑M入數(shù)據(jù)中心的電力是有限的，這些電力在為計算系統(tǒng)供電和提取熱量之間共享。因此，每瓦性能必須成為關(guān)注的指標，而不僅僅是性能?！?/p>

熱量會對性能產(chǎn)生重大影響?！凹词棺裱罴焉岵呗裕總€芯片在電路運行期間也會不同程度地升溫，從而降低性能，” Keysight EDA產(chǎn)品經(jīng)理 How-Siang Yap 說道?！皠討B(tài)溫度可以改變器件的電氣特性，例如增益、阻抗和負載牽引失配，以及更高級別的波形特性，例如數(shù)字調(diào)制信號的射頻電路中的誤差矢量幅度 (EVM) 和相鄰?fù)ǖ佬孤┍?(ACLR)。在模擬系統(tǒng)中，影響懲罰可能更高。”

分析并不容易?！爱斀竦男酒浅?fù)雜，以至于很難定義如何創(chuàng)建能夠顯示最壞情況條件的活動，”Ansys 的 Swinnen 說道?！爱斈榭从蓽囟纫鸬挠嫊r誤差時，您看到的是納秒，最多幾微秒。其次，電參數(shù)和熱參數(shù)的時間常數(shù)非常不同，至少兩個數(shù)量級。當熱量綻放時，它會通過芯片和隔壁慢慢消散，因此您會看到熱量因兩秒鐘前在隔壁街區(qū)發(fā)生的事情而增加。”

芯片內(nèi)的熱量分布

熱量傾向于向各個方向傳播?！澳銦o法真正阻止熱量流向任何地方，”西門子的帕里說?！澳憧梢院逅?，但這與電氣世界非常不同，在電氣世界中，導(dǎo)體和絕緣體之間的電導(dǎo)率差異可能是 20、21 個數(shù)量級。從電氣角度來說，你可以讓電流流向你想要的地方，但從熱角度來說，你確實做不到?！?/p>

由于熱量取決于活動，因此芯片表面的溫度并不是恒定、均勻分布的?！澳赡苡幸粋€由設(shè)計中計算量非常大的部分創(chuàng)建的熱點，例如硬件加速器，”Synopsys 的 Ruby 說道?！靶酒牧硪徊糠挚赡懿惶钴S，或者只在特定的操作模式下使用。芯片上的溫度梯度取決于工作負載或活動?！?/p>

散熱在理論上很簡單，但在實踐中卻困難得多。Cadence 的 Gopalakrishnan 表示：“您希望通過在任何層上盡可能多地傳播熱量來最大程度地減少熱點。”“你必須考慮東西放在哪里。將某些東西移動到芯片邊緣并不總是可能的，因為在那里熱量不會向一個方向擴散?！?/p>

雖然您可能無法控制熱量，但您可以了解它是如何傳播的?！叭绻銓α鹘?jīng)芯片上電線的電流進行建模，并觀察由此產(chǎn)生的熱通量，那么在所有電流融合在一起之前，它不會走得太遠，”帕里說。“你可以查看溫度曲線，這并不能真正顯示出走線和絕緣體之間的差異。如果您查看溫度曲線，您將幾乎無法檢測到金屬痕跡的位置。但如果你觀察一下熱通量，就會發(fā)現(xiàn)金屬中的熱通量比絕緣體中的熱通量高幾個數(shù)量級?！?/p>

這讓事情變得容易一些?！皩芏噙@樣的東西進行建模時，它會讓事情變得更容易，”帕里補充道?！巴ㄟ^不對芯片表面上的單根導(dǎo)線、金屬化層進行建模，而是僅使用平均材料屬性，您可以獲得相當準確的結(jié)果，這是一種非常常見的做法?！?/p>

一種有效的技術(shù)是利用熱感知平面圖和單元布局?！盎舅枷胧沁M行布局以最小化峰值溫度和溫度梯度，”Ruby 說。“借助物理感知 RTL 功耗分析工具，您可以分析初始布局，然后將該功耗曲線數(shù)據(jù)輸入熱分析中。這是從基于最終簽核或完成的物理實施進行分析的左移，這可能為時已晚，無法開始更改宏觀平面圖。我們還可以研究通孔密度、凸塊密度和不同金屬密度等?！?/p>

對于 3D-IC，TSV 一直被認為是創(chuàng)建熱走廊的一種方法?！案玫?TSV 放置會有所幫助，”Gopalakrishnan 說。“但這也是有限制的，因為它們確實占用了寶貴的空間。在布局規(guī)劃方面，無論是在芯片級別（當您談?wù)搮^(qū)塊、電源塊或功能單元）還是在布線級別（當您嘗試添加 TSV）時，都有很大的改變空間。對它們來說最大的優(yōu)勢之一是，當您在芯片或電源附近工作時，您可以瞄準熱點?！?/p>

但影響有限。“它們在某種程度上被用作熱走廊，但如果你把它們想象成銅，它們的導(dǎo)電率只有它們所穿過的硅的四倍，”帕里說?！翱紤]一個 10×10 的單元，每個角落都有一個 TSV。這是百分之四。由于 TSV 的電導(dǎo)率僅為其所穿過的硅的電導(dǎo)率的四倍，因此您可能為芯片的有效電導(dǎo)率增加了 16%。它對熱量沒有太大影響，雖然它們確實有幫助，但它并不是靈丹妙藥?！?/p>

另一種新興技術(shù)是背面供電?！氨趁骐娫从兄陔娏鬏敚股岢蔀楦蟮奶魬?zhàn)，”DeLaCruz 說?！绑w硅以前是局部散熱的重要機制，現(xiàn)在厚度已從約 800 微米發(fā)展到只有 1 微米，使得局部熱點更難以管理。TSV 并沒有使熱管理變得更容易，它們只是讓它變得不同，因為 TSV 以非常局部的方式提供幫助，并且僅在垂直于晶體管的軸上提供幫助。TSV 周圍的氧化物襯墊也會阻礙橫向熱能耗散?！?/p>

3D 增加了新的熱問題?！叭绻阆氲叫酒g的膠水層，這是很常見的，它們的目的是將芯片機械地固定在一起，”帕里說?！澳阈枰欢ǖ暮穸?。否則，芯片之間的互連處的剪切力太高，并且會導(dǎo)致電氣損壞。不幸的是，與硅芯片相比，這些膠層是相對較軟的材料，并且還往往具有相對較低的導(dǎo)熱率。您需要在熱力和機械力之間進行權(quán)衡。從熱學角度來說，您希望該層盡可能薄，以使通過該層的熱傳導(dǎo)盡可能有效。從機械角度來說，您希望有一個厚層，因為這樣可以吸收兩個模具之間位移的不匹配，而其間材料的剪切力相對較小?！?/p>

芯片外部的熱量分布

熱量可以通過封裝頂部逸出，然后可能進入散熱器，或者通過底部及其所連接的 PCB 逸出?！叭绻兴芰习渤尚?BGA，那么您將把絕大多數(shù)（80% 到 90%）的熱量傳遞到電路板上，”Parry 說?！叭绻愕姆庋b具有通往蓋子的良好傳導(dǎo)路徑，那么你可能可以安排 80% 到 90% 的熱量通過該路徑傳導(dǎo)。您可以控制它，具體取決于您所采取的打包方法，但不能完全控制。有些人總是走相反的路。”

您希望熱量流向的地方取決于具體應(yīng)用。“在服務(wù)器中，包裝周圍有很多空間可以利用，”Gopalakrishnan 說?！澳銉A向于用主動或被動散熱器以及有助于散發(fā)大量熱量的風扇來填充它。PCB 本身不會在散熱方面發(fā)揮主要作用。當您使用移動設(shè)備時，這不是一個解決方案，因為可能大約一半的熱量通過底部，剩下的一半則到達頂部。在這種情況下，PCB 將在芯片散熱方面發(fā)揮重要作用?！?/p>

當空間有限時，事情就會變得更加困難。“根據(jù)具體市場的不同，可以通過不同的方式來實現(xiàn)這一目標，”Arm 的 DeLaCruz 說道。“例如，在智能手機中，由于系統(tǒng)體積最小且散熱有效，石墨或石墨烯薄膜等高導(dǎo)電薄膜的使用非常普遍。在基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域，主動和被動 3D 均熱板的使用可以實現(xiàn)數(shù)百瓦范圍內(nèi)的運行?！?/p>

液體冷卻是另一種可能性?！拔覀冏罱趯α黝I(lǐng)域看到了很多進展，”戈帕拉克里希南說。“你有風扇、液體冷卻和兩相系統(tǒng)。我們還擁有數(shù)據(jù)中心級別的浸沒式冷卻等先進系統(tǒng)。您會看到很多設(shè)計工程師和制造設(shè)備和系統(tǒng)的公司的路線圖，他們將液體冷卻作為路線圖的一部分。這是因為，如果您只是在設(shè)備上添加一個散熱器并期望它能夠冷卻，那么當您的散熱量超過每平方米 1 千瓦時，它就會達到極限。如果使用風扇，每平方米的功率約為 10 千瓦。但如今，我們擁有每平方米 1 兆瓦的先進服務(wù)器設(shè)備芯片。你真的必須探索這些策略?！?/p>

并非所有人都認為它會很快被采用。安培計算公司產(chǎn)品副總裁 Madhu Rangarajan 表示：“雖然我們預(yù)計液體冷卻將出現(xiàn)在超級計算集群等專業(yè)部署中，但它不太可能廣泛扎根?！薄皩τ谛酒O(shè)計人員來說，在創(chuàng)建新技術(shù)時考慮實際基礎(chǔ)設(shè)施限制并與系統(tǒng)設(shè)計人員和數(shù)據(jù)中心設(shè)計人員合作以推動其廣泛部署非常重要。我們預(yù)計未來五年部署的大多數(shù) CPU 仍需要以有效降低 TCO 的方式進行風冷。”

模型和分析

熱可能是第三方小芯片市場的絆腳石之一，因為小芯片需要熱模型?！案鱾€小芯片實際上不能相互獨立地設(shè)計，”Parry 說。“每個芯片都需要了解其相鄰芯片上的熱源。這些高密度先進封裝設(shè)計的開發(fā)需要更多的協(xié)作。為了使設(shè)計易于處理，這些東西的開發(fā)方式必須改變?！?/p>

創(chuàng)建模型并不簡單?！坝泻芏嗍虑槟愦_實不想在芯片熱模型中披露，”Gopalakrishnan 說?！叭藗冋谂σ越惦A模型或某種近似的形式添加自熱效應(yīng)、芯片的熱阻特性，而這種近似不一定需要有人了解芯片中存在的每一個幾何細節(jié)。目前，部分芯片模型就是這樣生成的?！?/p>

工具也需要改變?！?D-IC 世界是綜合模型的世界，需要進行基于模型的分析，”Ruby 說道?！澳悴豢赡芟裎覀兘裉炷菢影阉惺虑槎计矫婊Ｔ趩蝹€芯片上，我們在網(wǎng)表級別上進行時序簽核和電源簽核。在 3D-IC 背景下，這可能變得不切實際，因此我們需要開始考慮對各種組件進行建模?！?/p>

最終它將設(shè)計和包裝結(jié)合在一起?！澳阈枰獙⑿酒O(shè)計工作流程與封裝設(shè)計工作流程結(jié)合起來，”帕里說?！澳悴荒軐⑺鼈円暈橐粋€發(fā)生在另一個之前的事件，即芯片被提供給封裝組，特別是在 3D-IC 中。但它在某種程度上適用于 2.5D。我們面臨的挑戰(zhàn)是采用傳統(tǒng)上由封裝工程師（可能具有機械背景）使用的模擬技術(shù)類型，并將其提供給進行 IC 驗證的人員作為 IC 設(shè)計流程的一部分。他們可能不習慣使用機械工程師使用的工具集。這是采用該技術(shù)并重新包裝它的情況，以便需要在更高的設(shè)計流程中使用它的人們可以使用它。”

結(jié)論

許多芯片都面臨熱障，并且解決該問題并不容易?！安恍业氖聦嵤?，熱量是集成密度的限制因素，”Swinnen 說?！拔覀兛梢栽O(shè)計和制造令人難以置信的芯片，但它們會融化。這不是制造限制，也不是設(shè)計限制。這是物理限制，我們無法散發(fā)更多的熱量?！?/p>

盡管在某些應(yīng)用中可以使用奇特的解決方案，但大多數(shù)市場必須找到用更少的資源做更多的事情的方法，這意味著每瓦特具有更多的功能。與此相關(guān)的成本比過去的解決方案要大得多。

來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察編譯自semiengineering