今天的計算機配備了近10億只晶體管，每秒鐘可以進行數十億次計算處理。然而，將整部計算機的計算功能都封裝在只有一個硬幣大小的面積內，這會給芯片內的散熱帶來很大的挑戰。

　　事實上，普通的臺式計算機很好地將熱點局限在某一區域內，其單位面積散失的熱量要多于火箭噴嘴的窄口或航天飛機返地進入地球大氣層時發出的熱量


　　本文探討了微處理器封裝工程師是如何在不縮短芯片壽命或故障的前提下給芯片降溫的，同時也著眼于工業界的問題，和如何選擇為迎接這類挑戰而特殊設計的先進材料。

　　半導體制造商依靠芯片封裝工藝來解決三個主要問題：第一是連接——提供輸入輸出（I/O）功能；第二與芯片保護有關，將其隔離以防止潛在的損害；最后，第三個問題涉及到散熱管理，即需要排出大功率芯片產生的熱量。

　　本文主要集中在封裝的散熱方面，這是一個很重要的新興需求。此外，為求簡便和易于說明，我們把重點放在倒裝芯片結構，這種封裝不需要鍵合線，取而代之的是，晶圓工藝中最后一步是在芯片焊盤上沉積焊料凸點，提供與外部電路的互連

　　在這種設計中，
由于電路在上面，因此熱量主要來自于芯片的背面。我們把重點放在這種封裝上，主要原因是倒裝芯片經常被用于最苛刻的應用中，而在這些應用場合中解決熱流的問題是至關重要的。然而，這些概念也可同樣應用到其他封裝方法。

　　現代微處理器封裝中散熱管理的主要目的是將熱流降低到更便于管理的標準上，同時保持處理器的溫度在100℃以下。

　　目前，隨著三種新型材料的應用，這種變革已經開始了。這三種材料是“熱界面材料1（TIM1）”，“散熱片”和“熱界面材料2（TIM2，）”。

　　TIM1有利于將熱量從芯片背面傳導到降低高熱流的散熱片上（某些情況下或許是熱導管）。TIM2有利于將熱量傳導到下一個元件上（例如熱沉）?？傊?，這些材料可以解決約40%的全部熱預算

　　因此，最佳的設計再加上選擇好的材料和界面，將會產生很大的改變。在我們考慮這些材料的細節之前，我們先探究一下芯片內部的熱流，并找出能夠優化面積的方法。


　　晶圓上的熱流

　　微處理器產生的熱量首先必須通過硅片傳導出去。雖然硅片本身是一個相當良好的熱導體，但減少熱量通過的距離也會獲得額外的收益?；谶@個原因，將硅片減薄逐漸引起人們的關注。

　　追溯過去，這種方法已經使制造商將硅片的厚度從800 祄減薄到150 祄，終止厚度取決于晶圓的尺寸和封裝類型。減薄硅片最簡單的方法之一是機械研磨或者化學機械拋光（CMP）。雖然這些方法很容易，但是這兩種方法本身都會對晶圓造成損害，也就限制了晶圓減薄的程度。

　　一些最近推出的先進技術能夠使晶圓減薄到50 祄。這種技術對于高熱流應用，以及芯片疊層，封裝疊層（PoP），低壓力應用，或是這些應用的復合都有重要影響。

　　此外，可以采用體硅蝕刻劑，能夠以30 祄/min的速度減薄硅片，達到最終要求的晶圓厚度。然后可以根據所要求的特性選擇表面修復操作。

　　硅拋光蝕刻劑可用于獲得平滑表面，其拋光速度為5 祄/min；對于稍微粗糙的表面，也可以采用硅表面蝕刻劑，拋光速度也為5 祄/min。這需要根據散熱的要求、界面、粘附劑和背面金屬化特性而進行選擇。最終的粗造度會影響芯片背面的焊料基熱界面材料。


　　TIM1

　　計算機中熱流的最高點在微處理器中，因此在這個界面提供一個高性能的熱連接是至關重要的。

　　為了實現這個目的，工程材料TIM1被采用了。沒有它，兩個被假設為平坦光滑的表面（硅和散熱片）之間只有5%的面積真正實現了物理連接

　　過去，這種物質經常采用金屬粉末填充硅脂。隨著熱流量的增加，已經采用金屬焊料取代油脂以減少對熱流的阻力。

　　雖然金屬焊料提供了卓越的散熱性能，但它們也有弊端。首先，為了粘接到處理器上，硅的背面必須金屬化，這就增加了成本。其次，金屬化的TIM相對堅硬一些，如果硅和散熱片的熱膨脹系數（CTE）不同，就會產生應力，這種情況比較常見。最后，焊料本身也很昂貴。

　　將油脂的應力釋放特性和焊料的散熱特性結合在一起可以獲得最佳的解決方案。把焊料粉末混入聚合物基體中，既可以實現良好的散熱性能，又可以實現低應力和低成本。

　　在這些被稱為“先進聚合物焊料”的TIM1材料中，焊料粉在固化過程中回流，可以在硅片和散熱片之間形成高熱傳導通路。同時，聚合物也在通孔之間固化，形成柔性的基體。因此，這些材料提供與焊料相同的熱性能，而成本和殘余應力更低。


　　散熱片

　　散熱片的這個名稱只展示了其部分用途。通過散布熱量，高能熱流減少了，使得下游元件的工作更加便利。

　　散熱片還為脆弱的硅片提供機械保護。散熱片是怎樣散熱的呢？理想情況下，高熱傳導率的材料可以散熱。