今天的计算机配备了近10亿只晶体管，每秒钟可以进行数十亿次计算处理。然而，将整部计算机的计算功能都封装在只有一个硬币大小的面积内，这会给芯片内的散热带来很大的挑战。

　　事实上，普通的台式计算机很好地将热点局限在某一区域内，其单位面积散失的热量要多于火箭喷嘴的窄口或航天飞机返地进入地球大气层时发出的热量


　　本文探讨了微处理器封装工程师是如何在不缩短芯片寿命或故障的前提下给芯片降温的，同时也着眼于工业界的问题，和如何选择为迎接这类挑战而特殊设计的先进材料。

　　半导体制造商依靠芯片封装工艺来解决三个主要问题：第一是连接——提供输入输出（I/O）功能；第二与芯片保护有关，将其隔离以防止潜在的损害；最后，第三个问题涉及到散热管理，即需要排出大功率芯片产生的热量。

　　本文主要集中在封装的散热方面，这是一个很重要的新兴需求。此外，为求简便和易于说明，我们把重点放在倒装芯片结构，这种封装不需要键合线，取而代之的是，晶圆工艺中最后一步是在芯片焊盘上沉积焊料凸点，提供与外部电路的互连

　　在这种设计中，
由于电路在上面，因此热量主要来自于芯片的背面。我们把重点放在这种封装上，主要原因是倒装芯片经常被用于最苛刻的应用中，而在这些应用场合中解决热流的问题是至关重要的。然而，这些概念也可同样应用到其他封装方法。

　　现代微处理器封装中散热管理的主要目的是将热流降低到更便于管理的标准上，同时保持处理器的温度在100℃以下。

　　目前，随着三种新型材料的应用，这种变革已经开始了。这三种材料是“热界面材料1（TIM1）”，“散热片”和“热界面材料2（TIM2，）”。

　　TIM1有利于将热量从芯片背面传导到降低高热流的散热片上（某些情况下或许是热导管）。TIM2有利于将热量传导到下一个元件上（例如热沉）。总之，这些材料可以解决约40%的全部热预算

　　因此，最佳的设计再加上选择好的材料和界面，将会产生很大的改变。在我们考虑这些材料的细节之前，我们先探究一下芯片内部的热流，并找出能够优化面积的方法。


　　晶圆上的热流

　　微处理器产生的热量首先必须通过硅片传导出去。虽然硅片本身是一个相当良好的热导体，但减少热量通过的距离也会获得额外的收益。基于这个原因，将硅片减薄逐渐引起人们的关注。

　　追溯过去，这种方法已经使制造商将硅片的厚度从800 祄减薄到150 祄，终止厚度取决于晶圆的尺寸和封装类型。减薄硅片最简单的方法之一是机械研磨或者化学机械抛光（CMP）。虽然这些方法很容易，但是这两种方法本身都会对晶圆造成损害，也就限制了晶圆减薄的程度。

　　一些最近推出的先进技术能够使晶圆减薄到50 祄。这种技术对于高热流应用，以及芯片叠层，封装叠层（PoP），低压力应用，或是这些应用的复合都有重要影响。

　　此外，可以采用体硅蚀刻剂，能够以30 祄/min的速度减薄硅片，达到最终要求的晶圆厚度。然后可以根据所要求的特性选择表面修复操作。

　　硅抛光蚀刻剂可用于获得平滑表面，其抛光速度为5 祄/min；对于稍微粗糙的表面，也可以采用硅表面蚀刻剂，抛光速度也为5 祄/min。这需要根据散热的要求、界面、粘附剂和背面金属化特性而进行选择。最终的粗造度会影响芯片背面的焊料基热界面材料。


　　TIM1

　　计算机中热流的最高点在微处理器中，因此在这个界面提供一个高性能的热连接是至关重要的。

　　为了实现这个目的，工程材料TIM1被采用了。没有它，两个被假设为平坦光滑的表面（硅和散热片）之间只有5%的面积真正实现了物理连接

　　过去，这种物质经常采用金属粉末填充硅脂。随着热流量的增加，已经采用金属焊料取代油脂以减少对热流的阻力。

　　虽然金属焊料提供了卓越的散热性能，但它们也有弊端。首先，为了粘接到处理器上，硅的背面必须金属化，这就增加了成本。其次，金属化的TIM相对坚硬一些，如果硅和散热片的热膨胀系数（CTE）不同，就会产生应力，这种情况比较常见。最后，焊料本身也很昂贵。

　　将油脂的应力释放特性和焊料的散热特性结合在一起可以获得最佳的解决方案。把焊料粉末混入聚合物基体中，既可以实现良好的散热性能，又可以实现低应力和低成本。

　　在这些被称为“先进聚合物焊料”的TIM1材料中，焊料粉在固化过程中回流，可以在硅片和散热片之间形成高热传导通路。同时，聚合物也在通孔之间固化，形成柔性的基体。因此，这些材料提供与焊料相同的热性能，而成本和残余应力更低。


　　散热片

　　散热片的这个名称只展示了其部分用途。通过散布热量，高能热流减少了，使得下游元件的工作更加便利。

　　散热片还为脆弱的硅片提供机械保护。散热片是怎样散热的呢？理想情况下，高热传导率的材料可以散热。