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摘要：3D封装技术由于其在较小的封装体内堆叠多个芯片，提高了封装密度、降低了封装成本，但是也带了其严重的散热问题，如何解决3D封装带来的高散热成为了3D封装面临的一大挑战。本文以3D封装的散热问题为切入点，总结出3D封装的散热问题主要原因在于发热密度增加、热耦合增强、散热不量与散热设计难四个方面，并分析目前的热处理技术，从结构设计、特殊材料、增加辅件、降温技术四方面提出了3D封装散热的设计策略，以期为3D封装的散热设计提供一定的参考。
关键词：3D封装技术；散热设计；热处理技术；设计策略
3D封装技术，即立体封装技术，就是把芯片一片片叠合起来，在X-Y平面的二維封装的基础上，在Z方向垂直互连，是一种三维空间的高密度封装技术，提高了封装密度、降低了封装成本。采用3D封装的芯片功耗低、速度快，减少了芯片间互连导线长度，通过芯片堆叠或封装堆叠的方式实现了器件功能的增加，提高了器件的运行速度，使得电子信息产品的尺寸与重量减少数十倍。虽然，3D封装可有效的缩减封装面积与进行系统整合，但其结构复杂且散热设计及可靠性控制都比2D芯片封装更具挑战性。
1.3D封装的散热问题
3D封装结构通常由封装内、封装外的裸芯片堆叠两种方式实现。由于芯片堆叠后发热量增加，但散热面积并未相对地增加，导致散热设计成为了3D封装设计的一个关键性因素。芯片的热阻分为外热阻与内热阻。外热阻是封装外盒与环境之间的热阻，主导传热方式为热对流，热量传导到封装外表面，通过对流与辐射方式耗散到环境中。内热阻是器件节温到外壳的热阻，主导传热方式为热传导，热量由器件节温传导到外壳的外表面。3D封装整体的总热阻由内热阻、接触热阻、外热阻构成。3D封装将多个芯片堆叠在一个较小的封装体内，其散热问题主要原因在四个方面，分别是1）发热密度增加：芯片堆叠后发热量将增加，但是相对而言其散热面积却并未增加，导致发热密度增加；2）热耦合增强：多芯片封装虽然保有独立芯片的散热面积，但是封装机构导致热源相互连接，热耦合现象增强；3）散热不良：内埋置基板中的无源器件的发热问题，由于有机或陶瓷基板散热不良，产生了严重的热问题；4）散热设计难：封装体积缩小，组装密度增加，使得散热设计不易进行。
2.3D封装的热处理技术
3D技术主要从系统设计级与封装级进行热处理。在系统级进行热处理时，可以将热能均匀分布在3D元器件的表面，采用金刚石或化学气相沉积金刚石的低热阻基板，也可以采用强制风冷或冷却液来降低3D元器件的温度，或采用一种导热胶并在叠层元器件间形成热通孔从叠层内部排到其表面。随着电路密度的增加，散热处理更为复杂。3D封装级的TSV技术实现了芯片之间的面互连，开发了带有温度传感器的微通道热沉法、导热柱法、微管液态冷法。为解决3D封装的散热问题，各生产制造商与科研机构相继开发了不同的低温键合技术，如自组装单层键合、表面活化键合、Cu-Cu键合、插入式低温键合、超声键合、纳米热压低温键合等，其原理及优点如表1所示。在封装外壳散热技术方面，也在逐渐研发新的散热方式，如半导体制冷器、微型热声制冷器、超威冷冻机、芯片级散热等。
3.3D封装的散热设计策略
3.1结构设计：优化热量分布
根据各部分芯片的发热量建立芯片整体的热力学模型，通过热力学分析软件对芯片整体进行热力学模拟分析，找出芯片的热传导途径并计算热通量，对芯片内部的器件在空间位置上进行合理调整，使芯片整体具有最佳的散热效果。例如，图1 为三芯片堆叠热阻模型，可以通过对热阻网络模型的仿真分析影响3D封装散热效果的关键因素，采用散热过孔的拓扑优化与参数优化来获得最佳的散热效果。
3.2特殊材料：增强散热效率
采用低热阻成型材料，提高其热导率，可以加快芯片内部的热量释放，从而改进散热效果。与其它电子材料相比，CVD金刚石材料具有无可比拟的高导热率，可以将CVD金刚石材料作为裸片之间的中间层。在芯片封装的成型环节，一般采用塑料封装或陶瓷封装，可以采用金属封装起到加快散热、物理保护、电磁屏蔽的多重作用。
3.3增加辅件：增强散热效果
增加高导热的芯片外围散热辅助器件，如加装铜散热板、铝封装盖，或使用低热阻的PCB板作为导热介质使用，可以达到为MOS管或板载芯片散热的目的。
3.4冷却技术：起到降温效果
利用冷却技术，能起到降温效果。常见的冷却方式有3类：1）风冷，如使用風扇冷却或微喷制冷器，前者结构简单、成本低，但噪声大、换热系数低，后者换热效率一般；2）液冷，如使用热管、微通道冷却，前者响应时间短，但是存在一定的换热极限，后者换热性能好，易于集成，但是需要额外的泵功；3）固体制冷，如热电制冷或热离子冷却，前者结构简单、可靠性高，但是受限于材料，后者热惯性小、响应时间短，但是受限于材料。
4.结语
如何解决3D封装带来的高散热成为了3D封装面临的挑战。在3D封装散热的实际设计中，要综合运用多种手段来提高3D封装散热设计的合理性与有效性。例如，合理选择器件的结构、键合等工艺来设计独立器件，降低材料之间的热不匹配性，在表面贴装过程中对叠装器件之间的空隙可采用在器件底部设置裸露的散热垫，也可以局部去除基板敷铜层及开散热孔建立合理有效的低热阻通道，实现快速散热的目的。本文以3D封装的散热问题为切入点，总结出3D封装的散热问题的主要原因在于发热密度增加、热耦合增强、散热不量与散热设计难四个方面，并分析了目前的热处理技术，从结构设计、特殊材料、增加辅件、降温技术四方面提出了3D封装散热的设计策略，研究以期能为3D封装的散热设计提供一定的参考。
关键词：3D封装技术；散热设计；热处理技术；设计策略
3D封装技术，即立体封装技术，就是把芯片一片片叠合起来，在X-Y平面的二維封装的基础上，在Z方向垂直互连，是一种三维空间的高密度封装技术，提高了封装密度、降低了封装成本。采用3D封装的芯片功耗低、速度快，减少了芯片间互连导线长度，通过芯片堆叠或封装堆叠的方式实现了器件功能的增加，提高了器件的运行速度，使得电子信息产品的尺寸与重量减少数十倍。虽然，3D封装可有效的缩减封装面积与进行系统整合，但其结构复杂且散热设计及可靠性控制都比2D芯片封装更具挑战性。
1.3D封装的散热问题
3D封装结构通常由封装内、封装外的裸芯片堆叠两种方式实现。由于芯片堆叠后发热量增加，但散热面积并未相对地增加，导致散热设计成为了3D封装设计的一个关键性因素。芯片的热阻分为外热阻与内热阻。外热阻是封装外盒与环境之间的热阻，主导传热方式为热对流，热量传导到封装外表面，通过对流与辐射方式耗散到环境中。内热阻是器件节温到外壳的热阻，主导传热方式为热传导，热量由器件节温传导到外壳的外表面。3D封装整体的总热阻由内热阻、接触热阻、外热阻构成。3D封装将多个芯片堆叠在一个较小的封装体内，其散热问题主要原因在四个方面，分别是1）发热密度增加：芯片堆叠后发热量将增加，但是相对而言其散热面积却并未增加，导致发热密度增加；2）热耦合增强：多芯片封装虽然保有独立芯片的散热面积，但是封装机构导致热源相互连接，热耦合现象增强；3）散热不良：内埋置基板中的无源器件的发热问题，由于有机或陶瓷基板散热不良，产生了严重的热问题；4）散热设计难：封装体积缩小，组装密度增加，使得散热设计不易进行。
2.3D封装的热处理技术
3D技术主要从系统设计级与封装级进行热处理。在系统级进行热处理时，可以将热能均匀分布在3D元器件的表面，采用金刚石或化学气相沉积金刚石的低热阻基板，也可以采用强制风冷或冷却液来降低3D元器件的温度，或采用一种导热胶并在叠层元器件间形成热通孔从叠层内部排到其表面。随着电路密度的增加，散热处理更为复杂。3D封装级的TSV技术实现了芯片之间的面互连，开发了带有温度传感器的微通道热沉法、导热柱法、微管液态冷法。为解决3D封装的散热问题，各生产制造商与科研机构相继开发了不同的低温键合技术，如自组装单层键合、表面活化键合、Cu-Cu键合、插入式低温键合、超声键合、纳米热压低温键合等，其原理及优点如表1所示。在封装外壳散热技术方面，也在逐渐研发新的散热方式，如半导体制冷器、微型热声制冷器、超威冷冻机、芯片级散热等。
3.3D封装的散热设计策略
3.1结构设计：优化热量分布
根据各部分芯片的发热量建立芯片整体的热力学模型，通过热力学分析软件对芯片整体进行热力学模拟分析，找出芯片的热传导途径并计算热通量，对芯片内部的器件在空间位置上进行合理调整，使芯片整体具有最佳的散热效果。例如，图1 为三芯片堆叠热阻模型，可以通过对热阻网络模型的仿真分析影响3D封装散热效果的关键因素，采用散热过孔的拓扑优化与参数优化来获得最佳的散热效果。
3.2特殊材料：增强散热效率
采用低热阻成型材料，提高其热导率，可以加快芯片内部的热量释放，从而改进散热效果。与其它电子材料相比，CVD金刚石材料具有无可比拟的高导热率，可以将CVD金刚石材料作为裸片之间的中间层。在芯片封装的成型环节，一般采用塑料封装或陶瓷封装，可以采用金属封装起到加快散热、物理保护、电磁屏蔽的多重作用。
3.3增加辅件：增强散热效果
增加高导热的芯片外围散热辅助器件，如加装铜散热板、铝封装盖，或使用低热阻的PCB板作为导热介质使用，可以达到为MOS管或板载芯片散热的目的。
3.4冷却技术：起到降温效果
利用冷却技术，能起到降温效果。常见的冷却方式有3类：1）风冷，如使用風扇冷却或微喷制冷器，前者结构简单、成本低，但噪声大、换热系数低，后者换热效率一般；2）液冷，如使用热管、微通道冷却，前者响应时间短，但是存在一定的换热极限，后者换热性能好，易于集成，但是需要额外的泵功；3）固体制冷，如热电制冷或热离子冷却，前者结构简单、可靠性高，但是受限于材料，后者热惯性小、响应时间短，但是受限于材料。
4.结语
如何解决3D封装带来的高散热成为了3D封装面临的挑战。在3D封装散热的实际设计中，要综合运用多种手段来提高3D封装散热设计的合理性与有效性。例如，合理选择器件的结构、键合等工艺来设计独立器件，降低材料之间的热不匹配性，在表面贴装过程中对叠装器件之间的空隙可采用在器件底部设置裸露的散热垫，也可以局部去除基板敷铜层及开散热孔建立合理有效的低热阻通道，实现快速散热的目的。本文以3D封装的散热问题为切入点，总结出3D封装的散热问题的主要原因在于发热密度增加、热耦合增强、散热不量与散热设计难四个方面，并分析了目前的热处理技术，从结构设计、特殊材料、增加辅件、降温技术四方面提出了3D封装散热的设计策略，研究以期能为3D封装的散热设计提供一定的参考。