用于热管理的散热铜柱凸点
本文介绍了一种新型的电热管理方法，采用散热铜柱凸点为电子系统内部提供所需的冷却能力。 当接近热源时，任何设备的主动冷却都是最有效的。今天一切先进的中央处理单元（CPU）和图形处理器（GPU）都采用倒装芯片的封装形式，其焊料凸点直接放在芯片中较活跃的区域。一种新的方法已经可以将热活性物质集成在这些焊料凸点中，尤其是铜柱凸点。当热电材料放在封装中，性能系数（COP），或者说散去的功率与可散功率之比一般为1左右；但若该材料被放置在凸点中，则性能系数可达4、6或8。这为电子行业中非常令人困扰的热问题提供了十分具有吸引力的解决方案。 能量/热/效率之间的折衷 对于过去能量发展趋势的研究表明，20 GHz的芯片会消耗和产生1 kw的能量。在笔记本电脑、台式电脑，甚至服务器环境中管理这种量级的能量是根本不可能的。更重要的是，随着芯片功率的增加，整个芯片的功率非均匀性也在增加。在芯片表面上分布的能量看起来像一个山脉，山峰代表芯片上最高功率密度和最高温度水平。在一个低功耗芯片（35 W英特尔双核）中，这种分布看起来像柔和绵延的山丘。
而在高功率芯片（大于120 W）中，它可能类似于喜马拉雅山那样的陡峭。 不幸的是，这些温度比芯片上其他区域高的“山峰”却代表了一个潜在的故障点。如果电路不能在峰值功率点得以工作的话，整个芯片都将无法正常工作。能量的非均匀分布遍及整个系统的各个层面。如果不能有效的解决这些问题，将会降低所有的系统级效率。 在一个典型的电路板上，一些芯片的功率高于平均值，有些则低于平均值。因此，整个电路板就呈现出热的二级分布。再次，由于电路密度增加，整体功率水平上升，环境状况变得更加的严峻，而这些非均匀分布变得更具挑战性，直接影响了电脑的正常使用。 随着电子产品中功率及热量的非均匀分布程度不断增加，热管理方案尚未跟紧脚步，以有效地处理这些问题。鼓风机和风扇，可以用来冷却计算机系统，但如果热剖面是非均匀的，他们可能过冷或是超过某些器件的默认指标。当芯片运行过热时，过冷会导致芯片的早期故障及内部失效。比如说，应用在服务器主板上功率MOSFET的冷却水平不适于中央处理器。结果就是它们运行得过热，在电路板上产生了过多的热量并且运行低效。另一种选择，就是过度冷却，这对于电子产品来说总体上是好的，但会导致非常低的系统效率和不可接受的能源消耗。 对于此类问题，热管理行业以热管（引导热量远离高功率区域，如在CPU与GPU之间）
和风扇或散热片形式的解决方案，可给最高功率的设备提供局部散热管理。尽管这些解决方案可用于解决单个芯片上的平均热功率问题，但是它们不能处理芯片内部的热不均匀性。即使这些解决方案是有效的，但也无法适用于以下两种情况。第一，无法扩展到整个芯片组；第二，不可能缩小到最新芯片要求的水平（实现仅仅5℃的额外冷却，对一个典型的芯片需要增加2-4倍的散热面积）。
新方法 我们为需要内部冷却的电子系统开发了一种新方法，可以为电子系统内部的散热提供适当的冷却。这种做法不会取代系统级冷却，而且对于排除热量来说仍然需要系统级冷却；相反，它从根本上引入了一种新方法，实现芯片和电路板级的热均匀分布。以这种方式，系统级散热管理将变得更加高效。由于这些解决方案可以实现等比例的缩小（大的系统有更大的扇出），这种新方法也适用于芯片级应用。 新的方法是将薄膜热电材料集成到倒装芯片的焊料凸点中。这样可以直接在芯片表面完成主动散热管理或发电，并采用行业可接受的制造方法可确保无缝集成。与传统的提供电气通路及机械结构的焊料凸点不同，“散热焊点”可作为一个微型的固体热泵。 对于每个凸点，当有电流通过时会发生热电冷却（TEC）。换句话说，当有电流通过材料时，热凸点在一侧冷却，并将热量转移到另一侧，这是众所周知的珀耳帖效应（Peltier effect）。
另一方面，当散热凸点受到温度梯度的影响时（例如，顶部比底部热），就会产生热电发电（TEG）。在这种情况下，该装置可产生电流，将热能转换成电能。这就是塞贝克效应（Seebeck effect）。热设计 https://www.resheji.com
散热凸点可集成在标准的倒装芯片工艺中（图1）。由于可将这一功能集成在设计与制造设备中，未来的芯片可能将电凸点（用于功率、地线和信号）和散热凸点（用于冷却、温度控制和潜在发电）结合起来使用。以这种方式，散热凸点可为电子产品设计提供了新的功能。今天，我们将晶体管、电阻、电容集成到传统的电路中，而在将来，有可能以相同的方式将散热管理集成到电路内部。
铜柱焊料凸点 随着高密度互连的发展，开发出了铜柱焊料凸点（CPB）。由于以下几个优势，CPB成为传统焊料凸点颇具吸引力的替代品。首先，CPB的线宽不由体积较大的焊料决定，而是取决于电镀铜支柱的尺寸。这比已知所有传统焊料凸点的间距都小。第二，因为大部分的互连使用的是铜材料，需要制造一个凸点所需的焊料用量大为降低。在铅基焊料中，可降低铅含量，这对于环境问题十分重要（RoHS协议）。第三，铜比一般二元或三元焊料的热传导率要高。例如，共晶SnPb（63％锡，37％的铅）的导热系数约为40 W/mK，而铜是386 W/mK。这意味着相同的几何形状下，与传统的焊料凸点相比，CPB的导热能力可以提高近十倍。第四，由于铜支柱在回流焊的时候不改变形状，它们不容易出现体积再分配，而体积再分配会导致凸点中的孔洞（缺陷），增加寄生电阻并降低可靠性。
薄膜热电技术
有证据表明，薄膜热电技术可以提供远优于传统体颗粒热电产品的高散热能力。对于热电制造来说，薄膜相对于较厚体材料的优势可用下式表达：
其中，Qmax（模型的最高散热值）与薄膜厚度L成反比。因此对于给定的活性区，使用薄膜制造的热电冷却器很容易得到10-40倍高的Qmax值。这使得薄膜TEC用于高热流应用成为可能。除了增加散热能力之外，使用薄膜可实现真正的新型热电装置。与厚度在1-3 mm的体散热模块相比，薄膜TEC可获得低于100μm的厚度。最简单的形式是将一个P或N型的
热电偶（所有热电装置的基本组成元件）置于一层薄膜热电材料与焊层之上，这样在其底层就可以将电和热耦合到电气通路上。
散热铜柱凸点
散热铜柱凸点（TCPB，图2）与现有的倒装芯片制造设备相兼容，这种技术扩展了常规焊料凸点互连技术，利用已被广泛接受的CPB工艺可为倒装芯片元件提供主动集成冷却。通过这种技术的改进，CPB内的发电可以进行能源循环应用。 这项技术在根本上解决芯片上散热与功率的难题。做个比喻，就像是将一所拥有过热炉
灶的房子进行冷却。比起空气将整个屋子的温度维持在热炉的温度上，它会更加有效地直接地对过热因素厨房进行降温。TCPB技术正是将这一方法引入到电子电路中。其结果是在现有半导体生产流程下，并不采用更高的系统级冷却，却可获得更高的性能及效率。 该技术已经获得了数项世界第一：当电流通过时，60μm高的TCPB可以获得60℃的温差；TCPB表现出的最大散热能力超过150 W/cm2；受热时，已证明每个TCPB具有产生高至10 mW功率的能力。
散热铜柱凸点的结构 在图中，热电腿的扫描电镜截面图清楚地表明，热电元件等同于一个有附加层的结构，类似一个堆栈结构。附加的热电层将一个标准的CPB转换成一个主动式的TCPB。当恰当的设置电及热性能后，这种元件可将主动的热电热量从凸点的一边转移到另一边。热量转移的方向是由热电材料的掺杂类型（不论是n型或p型半导体）和通过的电流决定的（珀耳帖效应）。反过来说，若允许热量从热电材料的一边转移到另一边，就会在这种材料中产生电流（塞贝克效应）。在这种模式中，电能是从热电材料中的热流产生的。如图2所示，这种结构可以在珀耳帖效应和塞贝克效应两种模式下运行，当然这两种模式不是同时进行的。
图3为典型CPB和薄膜TCPB的比较示意图。这些结构很相似，都具有CPB和焊料的连接。其主要区分在于两个焊料层之间是否要引入一个p或n型热电层。CPB和TCPB的粘合剂可以选择任意一种常用的软焊料，包括，但不仅限于，SnPb共晶焊料，或是SnAg或AuSn。
图4为TCPB的放大图。显示出这种设计另外几个特点。首先，器件中的热流由箭头“热流”标出。芯片上金属线的设计有助于热流通过TCPB。这些金属线相互交错堆叠而成，只有几微米厚，可提供高导热的通路，从下方电路中吸取热量，将其释放到TCPB中。 如图4所示，用于引导电流进入TCPB的金属线可能会，也可能不会直接连接到芯片的电路上。在任一情况下，板上温度传感器和驱动电路都可用于控制TCPB，使其在闭环系统表现出最佳的性能。第二，由TCPB所带走的热量，及其传热过程中产生的附加热，可能在基板或电路板内被阻塞。因为提供良好的散热路径可以改善TCPB的功能，所以背面有高导热通路的TCPB有利于热量的传输。基板可以是一种高传导介质，如氮化铝或金属（如铜，钨化铜，钼化铜等）。在这种情况下，较高热导率的基板将为阻塞的热量提供一个自然的疏通途径。它也可能是一个可以提供高密度互连的多层基板，如印刷电路板（PCB）。在这种情况下，PCB上的导热系数可能比较差，但加入散热通路（如金属插栓）可以为阻塞的热量提供很好的途径。
因为TCPB与传统的CPB在结构上很相似，因此TCPB结构的制造可以轻易地集成到现有基于CPB的工艺中。 TCPB可用许多不同的方式提供芯片制冷，其中包括：
一般冷却——TCPB可均匀分布在整个芯片表面，可提供均匀的冷却效果。这种情况下，TCPB可与标准的CPB混排在一起，用于信号、电源和地线的冷却。为了将效果
最大化，TCPB被直接放在芯片有源电路的下方。TCPB的数量和密度是由芯片的热负荷决定的。每对P/N对在特定的温度差（T）和给定的电流下，能提供一个特定的散热转换能力（Q）。芯片上温度传感器（片载传感器）可直接测量TCPB的性能，并为TEC驱动电路提供反馈。
高精度温度控制——TCPB既能冷却芯片也可加热芯片，这取决于当前电流的方向。可以用来精确控制那些必须在特定温度范围内工作芯片的运转温度。举例来说，对于许多光电元件，这是一个常见的问题。 热点冷却——在微处理器、图形芯片和其他高端芯片中，整个芯片的功率密度差别很大时会产生热点。这些热点严重限制了器件的性能。由于TCPB的尺寸小并且相对密度高，所以它们可以被放在有源芯片表面，这样的结构设计非常适合用于热点的冷却。在这种情况下，TCPB的分布并不必那么的平均。更合适的设计是将TCPB集中在热点区域，而低功率密度的区域每单位面积则仅需较少的TCPB。这样，TCPB只是在需要的区域被大量应用，减少了促使系统冷却及降低系统过度热量所需的额外能源。 除了芯片冷却，TCPB可以用于高热流互连，以提供恒定的的能量供给。这种能源的功率
通常是在毫瓦范围内，是理想的涓流充电电池、无线传感器网络和其他电池操作系统的能源供给手段。
热设计资料下载： 用于热管理的散热铜柱凸点.pdf
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