MCP 芯片的热管理技术与散热设计

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Rolle 发表于 2025/04/30 10:31:21 2025/04/30
【摘要】 随着电子设备的不断小型化、高性能化以及集成化,芯片在运行过程中产生的热量急剧增加,热管理问题成为了制约其性能提升和可靠性的关键因素之一。MCP(Multi-Chip Package,多芯片封装)作为一种先进的封装技术,将多个芯片集成在一个封装体内,能够有效提高系统性能和集成度,但同时也带来了更为严峻的热管理挑战。因为 MCP 封装体内存在多个发热源,芯片之间的相互影响以及封装结构的复杂性,使...
随着电子设备的不断小型化、高性能化以及集成化,芯片在运行过程中产生的热量急剧增加,热管理问题成为了制约其性能提升和可靠性的关键因素之一。MCP(Multi-Chip Package,多芯片封装)作为一种先进的封装技术,将多个芯片集成在一个封装体内,能够有效提高系统性能和集成度,但同时也带来了更为严峻的热管理挑战。因为 MCP 封装体内存在多个发热源,芯片之间的相互影响以及封装结构的复杂性,使得热量难以快速有效地散发出去,若不能对其进行良好的热管理,将导致芯片温度过高,进而引发性能下降、寿命缩短甚至永久性损坏等问题。因此,深入研究 MCP 芯片的热管理技术与散热设计具有至关重要的意义。

MCP 芯片的热管理挑战

  • 多热源复杂性 :MCP 封装内包含多个不同功能、不同工艺的芯片,如逻辑芯片、存储芯片等,这些芯片在工作时各自产生热量,且发热功率和发热区域各不相同,形成了复杂的多热源分布。这使得热量在封装内的传递和扩散难以精确预测和有效控制,增加了散热设计的复杂性和难度。
  • 封装结构限制 :为了实现高密度集成和小型化,MCP 的封装结构通常较为紧凑,芯片之间的间距较小,封装层数较多。这种结构限制了散热路径和散热空间,阻碍了热量的快速散发,容易导致热量在封装内部积聚,形成局部热点,影响芯片的正常工作和可靠性。
  • 功耗密度增加 :随着电子设备性能的不断提升,MCP 芯片的功耗密度也在不断攀升。在有限的封装面积和体积内,高功耗密度产生的大量热量如果不能及时有效地排出,将使芯片温度迅速上升,热设计功耗(TDP)也相应增大,对热管理方案提出了更高的要求。
  • 热膨胀系数匹配问题 :MCP 封装体内不同材料的热膨胀系数存在差异,如芯片、封装基板、封装材料等。在温度变化过程中,这些材料会产生不同程度的热膨胀和收缩,从而产生热应力。长期的热应力作用可能导致芯片与封装界面的分层、裂纹等可靠性问题,进一步影响芯片的热性能和电性能。

MCP 芯片的散热设计关键技术

  • 热界面材料(TIM) :热界面材料用于填充芯片与散热器、封装基板与其他散热元件之间的接触界面,以减小界面间的热阻,提高热传递效率。常见的 TIM 包括导热硅脂、导热垫片、金属TIM等。其中,导热硅脂具有良好的导热性和可压缩性,能够适应不同表面的微观不平度,但存在易挥发、易干涸等缺点;导热垫片则具有良好的弹性和可操作性,便于安装和拆卸,但其导热性能相对较低;金属 TIM 如铟等具有极高的热导率,能够有效降低界面热阻,但在实际应用中对接触压力和表面平整度要求较高。近年来,一些新型的 TIM 如微纳结构金属 TIM、相变TIM等也逐渐受到关注,它们在不同的应用场景下展现出更好的热性能和可靠性
  • 封装基板设计 :封装基板是 MCP 芯片的重要组成部分,其热特性和结构设计对芯片的散热性能有着重要影响。采用高导热率的基板材料,如陶瓷基板、金属基板等,能够有效提高热量的传导速度和效率,降低基板的热阻。同时,优化基板的布线设计和布局,增加热传导路径,减少热量在基板内的传播距离,也有助于提高散热性能。此外,通过在基板上设置微通道、热管等散热结构,可以进一步增强基板的散热能力,满足高功耗 MCP 芯片的散热需求。
  • 液冷技术 :液冷技术是一种高效的散热方式,特别适用于高热流密度的 MCP 芯片散热。微通道液冷是液冷技术的一种常见形式,它通过在芯片或封装基板上刻蚀微米级的通道,让冷却液在通道内流动,直接将芯片产生的热量带走。微通道液冷技术具有散热效率高、温度均匀性好等优点,能够有效降低芯片的结温,但同时也存在系统复杂、成本较高、可靠性要求高等问题。此外,液冷技术还包括喷射冷却、浸没式冷却等,这些技术在不同的应用场景下也展现出了良好的散热效果和应用前景
  • 相变制冷技术 :相变制冷技术利用材料在相变过程中吸收或释放大量的潜热来实现芯片的冷却。例如,利用某些金属或合金的熔化和凝固过程来吸收和释放芯片产生的热量,从而达到控制芯片温度的目的。相变制冷技术具有制冷效率高、温度稳定性好等优点,但目前仍面临相变材料的疲劳寿命、相变过程的控制等问题需要解决。
  • 热电制冷技术 :热电制冷技术基于塞贝克效应,通过在热电制冷片上施加电流,使热量从芯片侧向冷侧转移,从而实现芯片的制冷降温。热电制冷技术具有无制冷剂、无运动部件、体积小、精度高
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