多芯片组件的热控制

用于芯片级散热系统的微流道散热器的研究与制备多组件芯片是一种将多块未封装的超大规模集成电路芯片以及专用集成电路芯片组装在一块基板上的部件。

随着晶体管特征尺寸的减小,芯片上能够集成的晶体管数量也越来越多,导致芯片产生高热流密度,同时产生大量的热量。

热量若不能及时的转移,芯片长期工作在高温下,会减少电子元器件的工作寿命或者直接造成芯片的失效。

微流道散热器是针对芯片散热而提出的一种非常有潜力的散热方式。

相对于传统的风冷散热以及宏观水冷散热,微流道散热器的尺寸小,同时散热效率更高。

对多芯片组件来说,可以根据芯片所在位置专门设置微流道来对热点进行专门散热,降低芯片温度,减小多芯片组件基板的热点温度,有利于延长多芯片组件的使用寿命。

文中所设计多热源微流道散热器是基于项目要求对芯片进行散热,根据技术要求,单个热源的热流密度要达到500W/cm~2,同时热源芯片表面的温度要小于50℃。

根据所了解的流体力学以及传热学基本知识,采用有限元分析的方法对单热源平行微流道进行散热性能仿真;针对多热源微流道的分流结构进行仿真。

基于流体力学中的能量损失与对流散热,对仿真结果进行分析以及对微流道分流结构模型进行多次修改,使得多热源微流道散热器中的冷却液的分布比较均匀,从而保证了多热源的温度均匀性。

最后,根据设计好的微流道模型,以及考虑了实际制作过程中可能会出现的问题,排序合适的多热源微流道散热器的制作步骤。

选取合适的仪器搭建多热源微流道散热器的测试系统,在实验过程中,温度的监测主要采用红外热像仪,集成温度传感器作为辅助测温。

通过实验,验证了该微流道可以承受的热流密度可以达到500W/cm~2,同时热源表面温升小于50℃。

当四个热源同时工作时,由于模型设计的某些限制,在小流量大功率的情况下,上、下分布的热源的散热会出现温度不均匀的情况,但是在提高冷却液流量后,这种不均匀的情况得到了改善。

外部 引脚采 用球栅 阵列 （ Ｇ Ｂ Ａ—Ｂｌ Ｇｉ Ａ ｒ ） 式 ａ ｒ ｒ ｙ方 ｌ ｄ ａ 引 出 ； ） 三维堆 叠式 Ｍ Ｍ 封装形 式 。三个 芯片 １ｂ 为 Ｃ
分 析方 法相 对 比 ， 获得 了很好 的效果 。
收稿 日期 ：０５０ —１ 修 回 日期 ：０ ５０—９ ２０．６２ ； ２０．９１ 基 金项 目 ： 国防 科 工 委 十 五 重 点 预研 项 ５ 月
宇 航 学 报
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆ ￣ ｎ ｕ ｃ ｏ ｒ ａ ｏ ａ ｆ ｓ ｏ Ａｓ ｉ
Ｖｏ ． ７ Ｎｏ． １２ ３ Ｍａ ｖ ２０ ０６
利 用 热 阻 网络拓 朴关 系对 多芯片 组 件 热 分析 技 术 的研 究
了 Ｍ Ｍ 的性能 和可靠 性 。试验 证 明 ， Ｃ 元器 件 的失效
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（ １ ）
为环 境参
热 阻值一般 常用 ＠ 或 表示 （ 单位。 ／ ， 中 ＣＷ） 其 为热 传递到 芯 片某 点 的结点 温度 ，
考 温度 （ 满足 Ｊ Ｄ Ｃ标准 的测 试环境 ） Ｐ为 输入 的 ＥＥ ，
发热功率 。热 阻大 表 示 热不 容 易传 递 ， 因此 组件 所
率与 其结温 成指 数关 系 ， 能则 随结 温升 高而下 降 。 性
因此 ＭＣ 的热 分析 和 热 设 计 技术 ， ＭＣ Ｍ 是 Ｍ可 靠 性 设计 的关键 技术 。特 别是 对于 大功 率 的军 用器 件更 具有 尤为重 要 的意义 。
标 准 ）热 阻是 电子组件 中最 常用 也是最 重要 的评价 ， 指标 ， Ｉ （ ｔ ｒ ｅ ｉ ｕ ） 装 而言 ， 重 要 的 ４ 以 Ｃ Ｉ ｅ ａ ｄＣｒ ｉ 封 ］ ｎｇｔ ｃｔ 最

用了面积为152mm2、运算能力为1.25亿次/秒的MCM作为处理组
件，使整个处理系统的尺寸由原来的机框变成了一块插件，系
统运算能力达到5亿次/秒，经扩展可达80亿次/秒。
6.2 MCM的概念、分类与特性
至今对MCM尚无统一的定义，综合国外专家对MCM所下的定 义，MCM原则上应具备以下条件： （1）多层基板有4层以上的导体布线层。 （2）封装效率（芯片面积/基板面积）大于20%。
（3）封装壳体通常应有100个以上的I/O引脚。
其他附加条件：布线宽度每英寸从250根到500根，有多个 LSI和（或）VLSI裸芯片等。 从组装(或封装)对MCM定义为：两个或更多的集成电路裸芯 片电连接于共用电路基板上,并利用它实现芯片间互连的组件。
脚数可达到300∽2500个。
3.高散热性能 MCM多有散热装置，并采用一些新的散热技术，因此具有高散
热性能。
4.低成本性能 MCM安装工艺技术比原来的一般安装技术在封装密度和组件工 作频率两方面高2∽4倍，因此可实现产品相对低的成本。
6.3 MCM的BGA封装
6.8.1 概述
早期的MCM采用QFP和PGA，现在采用BGA，称为MCM BGA。 传统的MCM BGA封装采用模塑封装，MCM中芯片、BGA基板、 WB均形成于单一整体结构中，如图所示的AT&T公司用于电话中 的MCM BGA模塑封装。
MCM—C/D(with Thin Film Deposited on Ceramic
Substrate)：厚、薄膜混合多层基板制成的MCM； MCM—Si(with Silicon Substrate) ：Si基板制成的MCM；
MCM的特性：
1.高速性能
MCM产品，采用多个裸芯片高密度安装在一起，缩短了芯片间 的距离，信号延迟大大减少，使LSI的信号工作频率得到提高。 2.高密度性能 MCM具有高密度布线特性和高引脚密度特性，在1cm2面积内引

3D-MCM金刚石热沉热分析及热应力分析由于集成电路和电子器件的飞速发展,使得新的封装形式不断涌现,各种新的封装技术层出不穷。

多芯片组件(Multi-Chip Module即MCM)封装技术因组装密度高,改善了频率特性和传输速度等一系列优点获得了迅速发展。

随着封装密度和功率的提高,冷却和散热以及由温度引起的热应力问题是必须要考虑的重要技术课题。

本文研究了金刚石材料在多芯片组件中热特性改善和热应力问题。

本文首先综述了热沉用金刚石基板的特点和面临的问题及相应的措施;并介绍了多芯片组件封装技术相关知识。

介绍了传热学基本理论知识,有限元方法思想。

对有限元法在热分析和热应力分析中的具体应用进行了理论推导。

本文根据实际的多芯片组件的封装结构,建立了三维温度场分析模型,分析了金刚石作为导热层和基板对多芯片组件散热性能的改善;建立了二维和三维的芯片-粘结层-基板热力学模型,分析了不同的基板/芯片厚度比和面积比对层间热应力分布的影响。

本文对金刚石材料在多芯片组件热性能改善和热应力研究,对金刚石在多芯片组件封装热设计应用具有一定的参考价值和提供一定的理论依据。