來源 | IEEE原文 | https://doi.org/10.1109/ICEPT63120.2024.10668738

　　DOI

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　　背景介紹

　　隨著人工智能、自動(dòng)駕駛、移動(dòng)設(shè)備、5G通信、物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，對(duì)高性能、多功能、小型化芯片的需求呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。為了滿足這些行業(yè)需求，利用先進(jìn)的封裝技術(shù)，提出了芯片和芯片模塊化的概念。其中，2.5D中間層封裝技術(shù)作為Chiplet模塊化方法的代表脫穎而出leyu·樂魚(中國(guó))體育官方網(wǎng)站。它可以將多個(gè)芯片（如處理器、存儲(chǔ)器和傳感器）異構(gòu)集成到單個(gè)基板上，從而促進(jìn)不同間距的高密度互連。這種集成顯著提高了系統(tǒng)性能。2.5D晶片封裝由于其廣闊的應(yīng)用前景和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在圖形處理單元、高帶寬存儲(chǔ)器、可編程邏輯器件和超級(jí)計(jì)算芯片中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，在高性能芯片，特別是超級(jí)計(jì)算芯片中集成了大量晶體管，導(dǎo)致了加熱密度的顯著增加。這種升高的溫度會(huì)改變?cè)O(shè)備的工作特性，縮短其使用壽命，并導(dǎo)致熱不匹配，從而影響性能、功能和可靠性。因此，有效的熱管理已成為發(fā)展先進(jìn)半導(dǎo)體器件的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

　　金剛石以其優(yōu)異的硬度、高導(dǎo)熱性和熱穩(wěn)定性而聞名，是理想的散熱材料。利用這些特性，金剛石被用作2.5D中間層封裝的散熱器。我們之前的研究已經(jīng)證明了單片集成的金剛石-片上玻璃中間層，導(dǎo)致顯著提高冷卻性能。本研究提出了一種基于金屬納米中間層的金剛石-硅鍵合方案，并通過熱模擬驗(yàn)證了金剛石對(duì)多晶片、高計(jì)算和高功率場(chǎng)景下散熱性能的影響。

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　　成果掠影

　　近日，廈門大學(xué)鐘毅教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)半導(dǎo)體器件的小型化和性能增強(qiáng)顯著提高的功率密度帶來了的熱管理挑戰(zhàn)問題取得最新進(jìn)展。這項(xiàng)研究旨在通過利用2.5D中間層封裝中金剛石的優(yōu)越導(dǎo)熱性來解決這些熱挑戰(zhàn)，這在高性能計(jì)算和電力電子中越來越重要。我們提出了一種利用金屬納米中間層的創(chuàng)新金剛石-硅鍵合方案，并通過熱模擬驗(yàn)證了其對(duì)多芯片、高計(jì)算和高功率場(chǎng)景下冷卻性能的影響。詳細(xì)介紹了等離子體活化低溫鍵合樣品的制備工藝，并對(duì)其鍵合質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)。此外，還對(duì)多個(gè)芯片進(jìn)行了熱模擬，包括一個(gè)高性能超級(jí)計(jì)算芯片和兩個(gè)高帶寬存儲(chǔ)器（HBM）芯片。熱建模表明，集成金剛石散熱片可將實(shí)際2.5D芯片封裝中的最高溫度降低20%以上，功率密度高于1.5 W/mm2。本研究提出了一種非常有前途的異質(zhì)集成散熱技術(shù)策略，為先進(jìn)晶片封裝中卓越的熱管理解決方案奠定了基礎(chǔ)。研究成果以“Heterogeneous Integration of Diamond-on-Chip-onInterposer for High-Performance Thermal Management in Supercomputing 2.5D Chiplets Packaging”為題發(fā)表在《IEEE》期刊。

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　　圖文導(dǎo)讀

　　圖1.制備工藝及鍵合工藝示意圖。

　　圖2.(a)剪切力試驗(yàn)示意圖(b)抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。

　　圖3.SAT (a) 4英寸硅片(b) 8mm × 8mm矩形金剛石-硅結(jié)合樣品。

　　圖4. 仿真模型圖。

　　圖5. 最大功率密度為1.5 W/mm2的小芯片熱模擬結(jié)果分析。

　　圖6. 最大封裝溫度與功率密度線圖。

　　圖7. 不同的金剛石散熱片結(jié)構(gòu)(a)整體式金剛石(b)分布式金剛石。

　　圖8. 集成式和分散式金剛石散熱層的散熱效果比較。

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