当前散热管理往往被视为次要问题，性能才是设计师和制造商的首要关注点。随着半导体技术的快速发展，芯片的计算能力和集成度不断提升，业界对性能的追求变得尤为激烈。这种性能至上的趋势容易忽视散热设计，从而成为影响设备可靠性和使用寿命的关键。

随着芯片制造商开始将芯片塞入更薄基板的先进封装中，散热问题变得越来越严重。

过去，几乎所有这些复杂的设计都用于严格控制的环境，例如大型数据中心，通过将部分计算转移到不同的服务器刀片或机架，可以快速解决处理器的过热问题。如今，堆叠的芯片组件现在正进入关键安全的应用，例如汽车传感器或心脏起搏器等。由于系统的可靠性受热循环的影响，因此每次芯片工作，它都会加热、冷却、膨胀和收缩，但随着系统尺寸的缩小，冷却空间越来越受限，散热时间可能会显著延长。

英飞凌科技公司物联网、计算和工业 MCU 高级总监 Ketan Dewan 表示：“热管理绝对必要。如果管理不当，可能会使系统性能损失、运行不可靠、设备故障和系统成本增加。”

更糟糕的是，许多器件都涉及不同的材料。“你要处理的是差异化膨胀，”Ansys产品营销总监 Marc Swinnen 指出。“比如你拿一块金属，加热一端而不加热另一端，材料就会弯曲和变形。”

图 1：先进封装组装中的热流热模拟。来源：Ansys

翘曲会破坏各种计算元件和基板之间的连接，影响信号传输并降低性能。与热相关的应力还可能造成热失控，当连接处变得非常热时，容易导致凸块熔化或改变电路行为。后一种影响可能会导致参数漂移，因此，可能产品在发布时看起来没有问题，但几个月后就会出现工作异常或彻底失效。

分立器件更加隔离，但它们也不能免受热问题的影响。“它们可能会产生热量，但由于芯片位于基板上，所以热量有地方可以散发，所以散热会容易一些，”西门子 EDA的 Calibre nmDRC 应用产品管理总监 John Ferguson 表示。“当你堆叠时，事情会变得更加困难。并排放置还不算太糟。”

物理问题可能会变得更加复杂，这取决于布局和与其他电路的接近程度。例如，汽车传感器可能受到热量和振动的影响，具体取决于它们的位置，这意味着热应力和机械应力都会成为问题。

“当你谈论嵌入式系统时，不仅仅是元件本身产生的热量，还有邻近元件产生的热量，”Swinnen 说。“在嵌入式系统中，它旁边也会产生热量，所以你的芯片可能会突然产生一股热量，尽管这是旁边芯片的热量，但这颗芯片温度也会随之上升，看起来好像是它在发热。”

封装层面的异质性增加了设计方面的复杂性。“从历史上看，热分析的方式是，封装中的芯片不仅被视为均匀的材料，而且被视为均匀的温度。”Ferguson 说。“但这种观点未能涵盖全部复杂性。芯片是热量产生的源头，但它们也可能是热量的受害者。”

然而，即使设计师意识到了这些问题，在嵌入式设备中缓解这些问题也并不容易。Cadence 产品管理总监 Melika Roshandell 表示：“例如，对于手机而言，热分析非常重要，因为你不能在手机中放置散热器。此外，手机没有风扇，当你把它放在耳边时，你肯定不希望它烫伤你的脸。手机设计师必须考虑如何让芯片达到最大频率，同时又要符合人体工程学，不会烫伤皮肤。他们必须进行大量的传导和辐射分析来确定阈值。由于空间有限，他们面临着更多挑战，必须在解决散热问题上更具创新性。”

即使可以使用风扇等传统冷却解决方案，也可能不是理想选择。“风扇会造成电气干扰，但这只是一个次要问题.”Flex Logix首席执行官 Geoff Tate 表示。“风扇最大的问题除了体积大、噪音大之外，就是容易损坏。如果风扇坏了，冷却系统就会崩溃。当你添加更多晶体管，晶体管运行速度更快时，就会消耗更多电量。但封装只能耗散一定量的电量。即使你将这个封装放在冷空气中，到某个时候它也无法散发足够的热量。所以你需要安装一个散热片，然后你可以将它用螺栓固定在金属盒的侧面，金属盒也变成了散热器，你可以将它放在室外环境中。”

但问题不止于此。事实上，根据环境的不同，情况可能会变得更糟。“客户可能会说，‘它必须能在室外使用，我们在凤凰城，那里可能有50℃’”Tate说。“或者它必须在加拿大埃德蒙顿 -40℃的环境下工作。你必须能够在很宽的温度范围内工作，所以你必须弄清楚所有部件，对封装和冷却进行热分析，并了解客户将如何使用它。然后，你必须反向思考，了解你可以在芯片中放什么，以及你可以让它运行多快，因为如果你让芯片太强大，它会消耗太多的电量，而你无法消散它。然后它会超过结温，你必须保持在结温范围内。有些客户会说，‘我不希望结温升到这个水平，但我希望性能可以更高一些。’这很快就会变得非常复杂。”

即使在凤凰城这样的条件下，设备也可以放置在受控环境中，例如监控空调商店的摄像头。但设计师还必须考虑客户是否会始终遵守这些规范，以及要留出多少余地。毕竟，即使是最好的 HVAC 系统也有可能出现故障，或者原本应该放在阴影角落的传感器可能会被移到靠近阳光的地方。

环境考虑

环境不确定性，加上许多嵌入式的关键需要，可能导致保守的设计和封装选择。这包括在较旧的工艺节点上开发芯片/小芯片，以获得可靠性验证，以及挑战性较低的封装选项。这些选择也可能受到责任问题以及工程问题的影响。“我看到合同中有更多的法律术语，”Ferguson观察到。

对于嵌入式设备，工程问题通常与人类安全问题重叠。“如果你有一个医疗器械，你把它放入人体，它会发热，这会对人体造成什么影响？”Ferguson说。“或者更糟的是，人体产生的热量会影响封装吗？你需要更加保守和谨慎，考虑到如何处理这些东西。”

想想热管理不佳的起搏器会发生什么。“起搏器的使用寿命应该超过 10 年，”英飞凌的 Dewan 说。“但如果嵌入式设备没有进行热管理，嵌入式设备的漏电和功耗可能在不到 10 年的时间内就需要更换电池。”

即使在体外，也需要极其谨慎。汽车行业已经制定了ISO 26262，这是一项由 12 部分组成的安全标准，规定了汽车电子产品的最佳实践。遵守 ISO 26262 的要求为克服热问题提供了更令人信服的理由，此外还有一个简单的经济事实：设备越热，在采用冷却解决方案上需要花费的钱就越多。

解决方案

有几种方法可以缓解先进封装中的热问题。从 EDA 的角度来看，首选方法是在设计周期的早期解决这些问题，使用工作负载进行广泛的仿真和原型设计。这越来越多地涉及使用数字孪生。

“首先要考虑芯片的放置位置。”西门子的 Ferguson 说道。“你能否更好地选择放置位置，以免过多的热量集中在一个区域？下一阶段将着眼于芯片本身。有什么办法可以散热？如果你无法移动任何东西，如何散热？”

对于嵌入式设备，还有额外的考虑因素。“解决方案必须再修改一下。”Ferguson 说。“你可以在封装中采用各种形式的冷却，比如散热器。你可以在顶部放置 TIM（热界面材料）来帮助冷却。如果你将一个芯片放在另一个芯片之上，那么底部芯片可能会加热顶部芯片。现在顶部芯片没有太多空间来散热，所以你可以放入铜柱来当做一种烟囱。”

图 2：嵌入式 IC 的冷却架构。来源：Nordson Test & Inspection

从多物理角度来看，与所有其他电子模拟相比，热模拟的最大区别在于需要有限元网格。“这是一个三维网格，因为热量在表面的三个方向上流动。”Ansys 的 Swinnen 说。“利用设备的三维网格，您可以模拟功率如何扩散，以及环境温度如何侵入您的系统并扩散到整个系统。”

结论

散热问题是设计中一个长期存在且日益严重的问题。“对于某些设备而言，散热问题一直存在，但这不是芯片设计师需要处理的问题，因为封装设计师会在最后阶段处理它。”Swinnen 指出。“你对可以使用的功率有一个概念，如果结果显示功率稍高，没有人会因为功率过高而放弃芯片。功率曾被视为软性指标，但现在它已成为头号问题。散热与功率直接相关，但两者是两码事。功率就是钱，但功率同时会导致散热，因为最终会以热量的形式散发出去。嵌入式设备，无论你如何定义它们，都是在某个物体内部，这意味着它们更难冷却。你将增加功率密度，即你每立方体积使用的功率。然后你需要以某种方式将所有热量散发出去，因此冷却变得更具挑战性。 3D-IC 的尖端芯片设计正在考虑液体冷却和全浸没等想法，但在嵌入式设备中，这种方法很难。”

最终，解决困扰嵌入式和分立设备的散热问题可能需要新材料（如玻璃基板）和对现有组件的新思维。“从历史上看，我们根深蒂固地认为我们需要尽可能快的互连，”Ferguson 说，“但我们是否可以选择对热敏感度较低的互连——可能是一种像 TSV 这样的宽垂直连接？我们需要弄清楚的部分是权衡。你可能会占用大量可用于其他用途的区域。最好的选择是什么？例如，你可能希望连接更薄，但这意味着更高的电阻率，这可能会产生更多的热量。你必须弄清楚伴随好处而来的所有副作用。”