AI崛起,芯片中的导热材料将面临什么要求与挑战?

        随着AI智能时代的来临,芯片的算力需求增长颠覆想象,以OpenAI推出的chatGPT为例,GPT-2版本只有1.5亿个参数,发展到chatGPT-3版本后,参数已经达到了1750亿个,为了满足其大幅增长的算力需求,OpenAI使用超过285000 个CPU核心和10000多个GPU来训练模型。面对这种庞大的算力集群,芯片需要在较小范围内进行大量堆叠,保证芯片间的信息传输速度足够快,而随着堆叠密度的提升,芯片和封装模组的热通量也在大幅增大,相关的导热、散热以及封装材料需求有望持续放量,但相关材料的性能要求也在逐步提升。

        传统的芯片片封装工艺采用单科芯片通过焊线方式封装到基板或引线框架上,但随着算力需求提升,目前大功率芯片常采用倒装焊代替引线焊接,以提高互联密度及电性。在这种封装内,芯片内部的导热材料主要有导热界面材料、底填材料和封装基板三种,其中90%以上的热量通过“芯片--导热界面材料(TIM)--封装-导热界面材料(TIM)--散热器”的散热通道散发,除此之外,还有一部分通过底填材料散发至封装基板上,再由基板散发至外界。

                                                                                   图2:倒装焊芯片封装解构
        1、导热界面材料
        芯片内部的导热界面材料(以TIM1表示)主要是用于芯片管芯与芯片封装外壳之间的永久性连接,使芯片产生的热量得以有效散发至外界。相比于芯片封装外部的导热材料(TIM2),TIM1除了应当具备低粘合层厚度、高柔韧性、高导热系数、低接触热阻等基础性能,还需要具备电气绝缘性,以防止电路短路。另外,由于硅芯片与封装外壳的热膨胀系数有显著差异,再加上倒装芯片组装工艺包括数个固化工艺步骤和温度循环过程,所以,作为这两者之间的中间层,TIM1的热膨胀系数也是一个重要参数。而芯片外部用于连接封装外壳与散热器的TIM2材料作为可分离界面,一般没有电绝缘性能要求。

                              图3:电子元件封装示意图和热界面材料作用机制
        市场上常见热界面材料包括导热硅脂、导热凝胶、导热胶、导热垫片、导热相变材料、低熔点焊料、液态金属材料等,而目前芯片中所使用的顶部填充大多数为硅脂,其优点在于流变性能好、使用简便,只要将其涂膜在裸芯片的顶部,并且安置上封装外壳即可,但由于其导热性能较为一般,且属于液态相TIM,不具备压缩性,在实际操作过程中,易产生泵出效应,对封装的可靠性产生负面影响。因此在一些高端 PC 的 CPU 中更倾向于使用具备优异的导热性能、良好的可压缩性和力学可靠性的导热凝胶或具有良好传热性能的相变材料等作为顶部连接材料。


                                                                                                                    图4:常见TIM类型和典型特性
        2、底填材料
        在倒装芯片逐步扩大的趋势下,芯片内部底填材料的应用也在逐步增多。底填材料一般填充于集成电路芯片(Die)与芯片封装基板(Substrate)之间,用于缓解芯片与基板之间因热膨胀系数差异所造成的热应力失配,提高器件结构强度和可靠性,增强芯片和基板间的抗跌落性能,同时将部分热量传递到封装基板上。因此理想高性能底部填充材料应同时具有高导热系数、高电阻率、低黏度、适当的热膨胀系数、高玻璃化转变温度、低介电常数和低的介电损耗因子。

                                                                                 图5:底填材料填充示意
        目前底填材料通常是采用具有热固性的环氧树脂基材料为基体,并为了保证具有高热导率,还填充了大量的导热无机填料(如二氧化硅,氮化硼和氧化铝等)。但无机填料的存在增加了底填材料的黏度,使得填充时间更长,难以消除流动过程中内部的空隙,导致应力集中而失效。因此,生产具有组合热-电-机械性能,特别是高导热系数和低黏度的底填材料仍是一种迫切的需要和挑战。


                                                                               图6:理想的底填材料以及目前市面上底填材料的性能
        3、封装基板  
        常用电子封装基板主要可分为高分子基板、金属基板和陶瓷基板几类。对于大功率芯片而言,封装基板的作用除了连接电路、为芯片提供一定的机械支撑除外,还要求具有较高的导热、耐热、绝缘与热匹配性能。因此,高分子基板 (如 PCB) 和金属基板 (如 MCPCB) 使用受到很大限制,而陶瓷材料本身具有热导率高、耐热性好、高绝缘、高强度、与芯片材料热匹配等性能,非常适合作为大功率芯片的封装基板。
目前,常用电子封装陶瓷基片材料包括氧化铝 (Al2O3)、氮化铝 (AlN)、氮化硅 (Si3N4 )等:
·氧化铝:最成熟的陶瓷基板材料,机械强度大、绝缘、耐高温、稳定性好、高性价比以及对热冲击作用的良好抵抗性,但理论热导率与实际热导率都偏低,要提高基板产品质量,重视原料Al2O3粉体的品质以及性能指标。
·氮化铝:具有高导热性、尺寸稳定性、耐高温性和优良的绝缘性能,符合目前大功率芯片的散热要求,但脆性较大,加工难度大。
·氮化硅:具有高强度、高硬度、高电阻率、良好的抗热震性、低介电损耗和低膨胀系数等特点,虽热导率理论值最高可达320W/(m·K),但在基板实际生产过程中,制备工艺复杂,制备出的基板实际热导率也偏低,在一定程度上限制了其在大功率芯片封装中的应用。


                                                                                                    图8:常见陶瓷基板性能
        小结
        随着AI技术的崛起和是第五代移动通信(5G)技术商用化的到来,芯片的散热需求急剧增加,芯片内部导热封装材料也呈现出一系列新的挑战,如导热硅脂易发生泵出效应、导热相变材料易泄露、底填材料难以满足高导热和低粘度需求、高导热陶瓷基板加工难度大等,因此未来芯片内部导热材料仍需要进一步的迭代优化以满足高通量散热和高可靠性的需求。

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