掌握先进2.5D CoWoS-R封装中的高性能热管理技术

今日快讯 2025年08月07日 06:53 0 aa

引言

高性能计算的发展已经到达了一个关键转折点，传统的热管理方法正在被推向绝对极限。随着人工智能系统和数据中心对计算能力的需求不断增长，半导体行业面临着需要创新解决方案的热挑战。本文探讨了台积电先进CoWoS-R（带重布线层的晶圆级芯片封装）技术开发的尖端热管理策略，展示了工程师如何解决功耗超过2000瓦的热挑战[1]。

1理解CoWoS-R架构和热挑战

CoWoS-R封装技术代表了异构集成的重大进展，将系统级芯片（SoC）与高带宽存储器（HBM）立方体结合在灵活的有机中介层上。与依赖硅通孔（TSV）的传统硅中介层不同，CoWoS-R架构使用带重布线层的有机基板，通过降低RC阻抗和改善信号完整性提供增强的电气性能。

图1：CoWoS-R封装横截面视图，显示了HBM、SoC、热界面材料和散热器组件在RDL中介层和基板架构上的集成

热管理挑战在考虑到这些封装可能消耗超过1000瓦，某些应用推动超过2000瓦时变得明显。这种功率密度产生大量热量，必须有效移除以将结温度保持在临界阈值以下，通常约为105°C。有机中介层在提供电气优势的同时，还充当应力缓冲器，通过减轻封装堆叠中不同材料之间的热膨胀系数（CTE）失配来增强机械可靠性。

2开发和测试先进热测试载体

为了系统性评估热管理解决方案，研究人员使用3.3x reticle尺寸中介层开发了综合热测试载体（TTV）。这个测试平台包含四个带有多个加热器组的SoC芯片和八个HBM芯片，提供了实际高性能计算封装的真实表示。TTV设计包括二十个热传感器，战略性地位于芯片角落、边缘和中心，以高精度监测结温度。

图2：CoWoS-R热测试载体顶视图，显示了SoC芯片、HBM芯片的布置和热传感器放置，用于综合热特性分析

加热系统设计确保整个封装的功率分布均匀，每个SoC加热器组包含七个并联连接的加热器单元。这种配置最小化了局部热点，并为准确的热界面材料特性分析提供了一致的热负载。开尔文四线电阻测量技术实现精确的温度监测，使研究人员能够建立可靠的热阻计算。

图3：TTV加热器单元和热传感器设计，显示了测试载体内加热组件和温度监测组件的详细布局

3热界面材料的比较分析

适当热界面材料的选择代表了高功率封装设计中最关键的决策之一。系统性评估了三种不同的TIM技术：石墨薄膜、液态金属凝胶和铟金属。每种材料都提供影响整体热性能和制造考虑的独特特性。石墨薄膜TIM利用石墨板填料的垂直结构在厚度方向实现增强的热导率。这种材料提供中等热性能，具有良好的可制造性，适用于传统应用。液态金属TIM在凝胶基质中加入镓和镓合金填料，与石墨薄膜相比提供改善的热导率，同时保持增强界面间隙填充能力的流动性。铟金属TIM表现为卓越的执行者，表现出超过80 W/mK的热导率，显着高于石墨薄膜和液态金属替代品。然而，铟金属需要在SoC芯片和散热器上进行专门的背面金属化处理，以确保适当的润湿和结合。这个过程涉及仔细的表面准备和氧化去除，以实现最佳热接触。

图4：实验设置显示了热特性分析系统，包括气压缸、可调压力阀、冷却模块和用于TIM性能评估的完整封装Assembly

4热性能分析和建模验证

实验结果展示了不同热界面材料在高功率条件下的显着性能差异。当将最大结温度保持在105°C时，铟金属TIM实现了0.0108°C/W的最低封装热阻，相比石墨薄膜改善23%，相比液态金属TIM改善10%。这种优越性能直接转化为增加的功率处理能力，铟金属TIM支持1866W，而石墨薄膜为1709W。

图5：热建模设置展示了综合3D仿真模型，包括CoWoS-R封装、TIM2、PCB、插座和冷板冷却模块，用于准确的热分析

使用FloTHERM软件的计算热建模验证了实验观察并提供了优化机会的洞察。校准模型包含硅组件的温度相关热导率和基于铜密度分布的中介层和基板层的正交各向异性热特性。模型预测与实验数据紧密一致，温度偏差小于1°C，热阻偏差低于0.0001°C/W。

图6：实验数据和建模预测比较，显示了测量和仿真的SoC结温度在芯片中心、边缘和角落位置的出色一致性

5超高功率应用的先进系统冷却解决方案

突破2000W功率屏障需要超越传统热界面材料优化的复杂系统级冷却创新。冲击冷却系统的开发代表了用于极端热管理应用的液体冷却技术的重大进展。

图7：冷板设计和冲击冷却热建模，具有集中液体流入口、微通道结构和为超高功率应用优化的传热性能

冲击冷却设计战略性地将液体流入口定位在冷板中心，将冷却剂流垂直引导至封装最热区域。集成的0.15mm信道宽度微信道结构增强传热系数，同时保持合理的压降特性。热建模证明这种先进冷却配置使铟金属TIM封装能够实现2000W功率耗散能力，同时将结温度保持在105°C。性能分析显示，在相同流动条件下，冲击冷却相比传统S型冷板设计提供约13%的功率处理改善。然而，这种增强性能伴随着增加的压降要求，需要更强大的泵系统。实现2000W能力的最小液体流量确定为每分钟2升，为冷却系统规格建立了实用设计指南。

6直接液体冷却技术

热管理的终极前沿通过直接液体冷却方法完全消除热界面材料。台积电创新的IMC-Si（硅集成微冷却器）技术直接在有源硅芯片背面制造硅微柱阵列，实现介电冷却剂与半导体表面的直接接触。

图8：集成液体歧管用于直接液体冷却的CoWoS-R封装示意图，显示通过冷却剂与硅表面直接接触消除热界面材料

这种直接冷却方法消除了所有热界面阻抗，代表了理论上最优的热管理解决方案。与3.3x reticle CoWoS-R平台的集成证明了功率耗散能力超过3000W，允许温度上升比环境温度高60°C。该技术需要复杂的Assembly工艺，包括液体进出口歧管集成和设计用于承受封装翘曲和压力循环的先进密封剂系统。

7结论和未来方向

超高功率半导体封装的热管理需要跨越多个工程学科的综合方法。通过系统评估热界面材料、先进冷却系统设计和直接液体冷却技术，工程师正在成功解决下一代高性能计算系统的热挑战。从能够处理1200-1500W的传统TIM基础解决方案到超过3000W的先进直接冷却系统的发展展示了热管理技术正在发生的快速演进。理解这些热管理原理和实施策略为致力于推动计算性能边界同时在极端热条件下保持可靠运行的工程师提供了必要知识。

参考文献

[1] T.-Y. Wu et al., "Integrated Package-to-System Thermal Solution Evolution for High-Performance 2.5D CoWoS-R Advanced Packaging Technology Development," in 2025 IEEE 75th Electronic Components and Technology Conference (ECTC), 2025, pp. 481-486, doi: 10.1109/ECTC51687.2025.00085.