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摘 要：隨著半導(dǎo)體器件集成度和功率密度不斷提高，散熱問題成為影響芯片性能與可靠性的關(guān)鍵因素。本文探討了散熱技術(shù)應(yīng)用于半導(dǎo)體封裝的必要性，結(jié)合散熱技術(shù)的應(yīng)用問題，重點闡述了半導(dǎo)體封裝中散熱技術(shù)的應(yīng)用要點，使其在各類應(yīng)用中具備更穩(wěn)定、更可靠的性能。
半導(dǎo)體技術(shù)是現(xiàn)代科技的核心驅(qū)動力之一，其器件正朝著高性能、高集成度方向快速發(fā)展，但散熱問題日益凸顯，逐漸成為限制芯片性能提升和可靠性保障的重要因素。為確保半導(dǎo)體器件穩(wěn)定運行、延長使用壽命并提升整體性能，高效的散熱技術(shù)十分關(guān)鍵。因此，深入研究半導(dǎo)體封裝散熱技術(shù)不僅具有重要的理論價值，對推動半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展也具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實意義。
1 半導(dǎo)體封裝中應(yīng)用散熱技術(shù)的必要性
1.1 半導(dǎo)體器件發(fā)展帶來的散熱挑戰(zhàn)
目前，半導(dǎo)體器件的集成度與功率密度呈指數(shù)級增長，芯片內(nèi)部熱積累問題日益嚴(yán)重。以現(xiàn)代高性能處理器為例，其晶體管數(shù)量已從早期的數(shù)千個發(fā)展到如今的數(shù)十億個，同時功率密度顯著提升，使芯片運行時成為高強度熱源。研究表明，芯片結(jié)溫每升高10 ℃，器件壽命可能縮短約50%。這是因為高溫會加快半導(dǎo)體材料內(nèi)部的電子遷移與化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致器件性能下滑、可靠性降低，甚至造成永久性損壞。
1.2 高頻高功率場景對散熱的更高要求
在5G 通信和人工智能計算這些高頻高功率應(yīng)用場景中，半導(dǎo)體器件需要處理海量數(shù)據(jù)和高速信號，面臨更嚴(yán)峻的散熱挑戰(zhàn)。例如，5G 基站通信芯片需在高頻段實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，功率消耗大，熱量產(chǎn)出多。人工智能計算芯片在執(zhí)行深度學(xué)習(xí)任務(wù)時，也面臨很大的散熱壓力。傳統(tǒng)的散熱方案，如散熱片和風(fēng)扇的組合，已難以滿足這些場景對散熱效率和可靠性的嚴(yán)格要求。因此，開發(fā)新型封裝散熱技術(shù)成為保障高頻高功率半導(dǎo)體器件穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。
2 半導(dǎo)體封裝中散熱技術(shù)應(yīng)用的問題
2.1 三維封裝的界面熱應(yīng)力問題
三維封裝技術(shù)在提升集成度與散熱效率方面優(yōu)勢顯著，但也帶來了一些新問題。在三維封裝中，不同材料的熱膨脹系數(shù)存在差異，溫度變化時會產(chǎn)生界面熱應(yīng)力。這種熱應(yīng)力會造成傳熱效率下降，對散熱效果產(chǎn)生影響。長期受這種熱應(yīng)力作用，封裝結(jié)構(gòu)可能會發(fā)生損壞，器件可靠性也會降低。因此，當(dāng)前散熱技術(shù)的一個重要課題就是如何解決三維封裝中的界面熱應(yīng)力問題。
2.2 超薄封裝對散熱材料機械強度的要求
隨著半導(dǎo)體器件向小型化、輕薄化方向發(fā)展，超薄封裝技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。然而，超薄封裝（厚度＜100μm） 對散熱材料的機械強度提出了新的要求。散熱材料不僅需要具備良好的導(dǎo)熱性能，還需要滿足一定的機械強度，以確保封裝結(jié)構(gòu)的完整性和穩(wěn)定性。傳統(tǒng)散熱材料難以滿足超薄封裝的機械強度要求，需要研發(fā)新型散熱材料或改進現(xiàn)有材料，以滿足超薄封裝的發(fā)展需求。
3 半導(dǎo)體封裝中散熱技術(shù)的應(yīng)用要點
3.1 材料優(yōu)化技術(shù)
3.1.1 高導(dǎo)熱封裝材料
近年來，新型高導(dǎo)熱封裝材料不斷涌現(xiàn)。氮化鋁陶瓷作為一種典型的高導(dǎo)熱材料，其熱導(dǎo)率≥170 W/(m·K)，相較于傳統(tǒng)的基板材料具有顯著的導(dǎo)熱優(yōu)勢，能夠快速傳導(dǎo)芯片產(chǎn)生的熱量，有效降低熱阻。例如，某些高端電子設(shè)備采用氮化鋁陶瓷基板時，能夠降低熱阻，提高散熱效率。金剛石/銅復(fù)合材料是一種備受關(guān)注的高導(dǎo)熱封裝材料，其熱導(dǎo)率在400～600 W/(m·K)范圍內(nèi)。這種復(fù)合材料將金剛石超高的導(dǎo)熱性能與銅良好的導(dǎo)電性和加工性能結(jié)合，能夠高效導(dǎo)熱，在一定程度上滿足封裝工藝對材料物理性能的要求，為半導(dǎo)體封裝提供了更好的選擇。
3.1.2 熱界面材料
熱界面材料在芯片和散熱組件的連接中起著關(guān)鍵作用，其性能對界面熱傳遞效率有直接影響。其中，納米銀膠作為一種新型的熱界面材料，具有極低的接觸熱阻 （＜1 mm2·K/W），能夠在芯片與散熱基板之間形成良好的熱傳導(dǎo)通道，有效降低熱阻，提高熱量傳遞效率，顯著改善芯片與散熱結(jié)構(gòu)間的熱接觸，確保熱量快速、順暢地從芯片傳至散熱裝置。石墨烯相變材料是一種重要的熱界面材料，在溫度變化時會發(fā)生相變，能吸收和釋放大量熱量，同時其接觸壓力敏感性大幅降低。在不同壓力條件下，石墨烯相變材料的熱傳遞性能穩(wěn)定，在復(fù)雜封裝環(huán)境中適應(yīng)性更佳，能有效提高界面熱傳遞效率，為半導(dǎo)體器件的散熱提供可靠保障。
3.2 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計要點
3.2.1 三維異構(gòu)封裝
基于硅通孔技術(shù)的三維異構(gòu)封裝架構(gòu)，通過芯片垂直堆疊的創(chuàng)新設(shè)計，不僅有效提升了空間利用率與集成密度，還為熱管理提供了突破性的解決方案（見圖1）。該封裝體系與微流道散熱結(jié)構(gòu)的協(xié)同優(yōu)化，使散熱性能得到顯著提升。實驗數(shù)據(jù)表明，采用上述復(fù)合結(jié)構(gòu)可使單位體積散熱效能提升300%。其中，微流道結(jié)構(gòu)通過優(yōu)化冷卻液流動路徑，實現(xiàn)了熱量的定向傳導(dǎo)與高效擴散，從而大幅提升了整體散熱效率，如圖2所示。
圖1 三維異構(gòu)封裝結(jié)構(gòu)示意圖
圖2 半導(dǎo)體三維異構(gòu)封裝實驗數(shù)據(jù)的熱仿真圖
3.2.2 雙面散熱架構(gòu)
雙面散熱架構(gòu)采用倒置封裝技術(shù)（以 QDPAK 為代表）， 使散熱路徑縮減達(dá)40%，實現(xiàn)芯片熱量的雙向同步傳導(dǎo)。通過頂部與底部的協(xié)同散熱機制，顯著提升了散熱效能。研究數(shù)據(jù)表明，在功率型半導(dǎo)體器件中應(yīng)用該架構(gòu)，其功率密度較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)提升2.1倍。通過散熱路徑的優(yōu)化設(shè)計與散熱面積的拓展，有效攻克了高功率半導(dǎo)體器件的熱管理難題，從而實現(xiàn)了器件整體性能的優(yōu)化提升。與傳統(tǒng)散熱方式相比，雙面散熱架構(gòu)的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下3方面。首先，雙面散熱架構(gòu)可充分利用芯片底部空間，從而有效拓展了芯片熱管理面積。其次，雙面散熱架構(gòu)的熱源分布在芯片底部區(qū)域，與傳統(tǒng)方式相比可有效提升熱源傳遞效率。最后，由于熱傳遞路徑由頂部向底部移動，整個熱傳導(dǎo)過程更加高效。
3.3 先進工藝集成與利用
3.3.1 低溫鍵合技術(shù)的應(yīng)用
在半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域，低溫鍵合技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，其通過高效連接芯片與基板，為封裝工藝提供了重要支持。納米銀燒結(jié)工藝是低溫鍵合技術(shù)的典型代表，可在250℃的低溫條件下形成250 W/(m·K)高熱導(dǎo)率的連接界面，有效避免了傳統(tǒng)高溫工藝帶來的熱致?lián)p傷。該工藝獲得的連接結(jié)構(gòu)孔隙率極低、熱傳導(dǎo)特性優(yōu)異、機械穩(wěn)定性突出，為半導(dǎo)體封裝提供了可靠保障。同時，納米銀燒結(jié)工藝顯著延長了熱循環(huán)壽命，使器件散熱性能保持持久穩(wěn)定。
3.3.2 微結(jié)構(gòu)的加工處理
激光誘導(dǎo)石墨烯的表面改性工藝通過高能激光束在銅基板表面構(gòu)建三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了散熱表面積的顯著提升，散熱面積增至原有水平的3倍以上。該工藝擴大了熱交換界面，促進了熱傳導(dǎo)效率，從而提升了銅基板的散熱性能。激光誘導(dǎo)石墨烯具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、高強度、高耐熱性和低成本等優(yōu)點，在半導(dǎo)體封裝散熱材料領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著技術(shù)的發(fā)展，目前已有多種能夠?qū)崿F(xiàn)半導(dǎo)體器件芯片表面微結(jié)構(gòu)加工處理的新工藝與技術(shù)，如真空蒸鍍、激光焊接、化學(xué)氣相沉積等。這些工藝通過在半導(dǎo)體芯片表面構(gòu)建規(guī)則或不規(guī)則的微結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了導(dǎo)熱功能的優(yōu)化。目前應(yīng)用較多的是激光焊接工藝，其主要原理是利用高能激光束照射芯片表面，產(chǎn)生局部高溫以提升熱傳導(dǎo)效率，從而實現(xiàn)散熱功能。
3.4 半導(dǎo)體封裝散熱技術(shù)的實踐應(yīng)用領(lǐng)域
3.4.1 在高功率絕緣柵雙極晶體管模塊中的使用
作為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的核心元件，高功率絕緣柵雙極晶體管模塊在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)及新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)等關(guān)鍵領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。然而，在實際運行過程中，此類模塊往往需要承載數(shù)百伏的工作電壓和數(shù)百安培的電流，由此產(chǎn)生的焦耳熱效應(yīng)顯著，對散熱系統(tǒng)的性能提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為解決這一技術(shù)難題，直接液體冷卻技術(shù)應(yīng)運而生，其通過將高導(dǎo)熱性冷卻介質(zhì)直接輸送至絕緣柵雙極晶體管模塊基板接觸區(qū)域，實現(xiàn)了熱量的快速傳導(dǎo)與高效耗散。采用直接液體冷卻技術(shù)后，基板與散熱器之間的熱阻值可優(yōu)化至0.05 K/W，這一突破性進展使絕緣柵雙極晶體管模塊在高電流密度（200 A/mm2）工況下仍能保持穩(wěn)定的工作性能，有效提高了模塊的功率密度和可靠性，滿足了高功率應(yīng)用場景對絕緣柵雙極晶體管模塊性能的要求。
3.4.2 在人工智能計算芯片中的應(yīng)用
人工智能計算芯片是人工智能領(lǐng)域的核心運算單元，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等復(fù)雜計算任務(wù)的運行使其面臨嚴(yán)峻的能耗挑戰(zhàn)，熱管理已成為制約芯片性能優(yōu)化的重要因素，必須采用先進手段解決此問題。研究人員采用了一種基于微泵驅(qū)動的相變冷卻技術(shù)，該技術(shù)利用微尺度泵送裝置，驅(qū)動冷卻介質(zhì)在芯片內(nèi)部的微流道循環(huán)。工作介質(zhì)吸收處理器產(chǎn)生的熱量，發(fā)生從液相到氣相的轉(zhuǎn)變，氣態(tài)冷卻劑隨后被特定結(jié)構(gòu)引導(dǎo)排出，經(jīng)過冷凝處理后重新進入循環(huán)。這一方法能夠在較低溫度下快速、高效地冷卻芯片，無須額外的熱交換，且不會改變芯片內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。此外，研究人員還提出了一種基于熱管技術(shù)的新型高熱通量相變冷卻方案，通過對芯片上的熱通道進行精確的流體控制，實現(xiàn)高效的冷卻效果。
3.4.3 在車規(guī)級碳化硅器件中的應(yīng)用
車規(guī)級碳化硅功率器件是新能源汽車功率電子系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，業(yè)界十分重視其在極端工作環(huán)境下的穩(wěn)定性。有研究者提出納米銀燒結(jié)界面搭配金剛石基板的新型散熱方案，該方法能大幅提高器件的散熱能力。納米銀燒結(jié)技術(shù)可以實現(xiàn)低溫互連，確保界面導(dǎo)熱性并保持出色的力學(xué)特性。金剛石基板超高的熱導(dǎo)率[＞2000 W/(m·K)]能夠使熱量迅速散開。在175 ℃高溫環(huán)境下對采用此方案的器件進行測試，結(jié)果表明熱阻變化始終維持在±5%以內(nèi)，這保障了車規(guī)級碳化硅器件能在各種復(fù)雜條件下可靠運行，滿足了新能源汽車行業(yè)對此類電子部件的嚴(yán)苛要求。
3.5 半導(dǎo)體封裝散熱技術(shù)優(yōu)化方向
第一，智能熱管理。芯片熱力狀態(tài)的實時監(jiān)控與動態(tài)調(diào)控依賴于微型溫度傳感模塊與自適應(yīng)控制算法?？刂葡到y(tǒng)在芯片高負(fù)載時可增強散熱單元的功率以實現(xiàn)高效降溫；在輕負(fù)載時，優(yōu)化算法可以降低散熱功率達(dá)成節(jié)電目標(biāo)。這種智能熱管理方案運用熱流的實時調(diào)節(jié)功能，實現(xiàn)了散熱效率的最大化，同時還大大降低了系統(tǒng)總能耗。
第二，科學(xué)使用量子點散熱材料。量子點散熱材料是一種具有巨大潛力的新型散熱材料，其利用表面等離子體激元效應(yīng)，提升遠(yuǎn)紅外輻射散熱效率。表面等離子體激元是指在金屬表面存在的一種自由電子和光子相互作用產(chǎn)生的集體振蕩現(xiàn)象。合理設(shè)計量子點的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)可以激發(fā)表面等離子體激元效應(yīng)，從而增強材料的遠(yuǎn)紅外輻射能力，提高散熱效率。
4 結(jié)語
綜上所述，隨著新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝的協(xié)同創(chuàng)新，散熱技術(shù)取得了顯著進步。從材料優(yōu)化方面的高導(dǎo)熱封裝材料和熱界面材料的不斷發(fā)展，到結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計中的三維異構(gòu)封裝和雙面散熱架構(gòu)的應(yīng)用，再到先進工藝集成中的低溫鍵合技術(shù)和微結(jié)構(gòu)加工，每一項技術(shù)的突破都為半導(dǎo)體器件的散熱提供了更有效的解決方案。
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