芯片HDI布局的散熱設(shè)計(jì)關(guān)鍵策略
在現(xiàn)代電子設(shè)備中,芯片性能的不斷提升對(duì)散熱設(shè)計(jì)提出了更高的要求。高密度互連(HDI)技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)高性能芯片集成的關(guān)鍵手段,其布局設(shè)計(jì)直接關(guān)系到芯片的散熱效果。
一、芯片 HDI 布局的散熱挑戰(zhàn)
(一)高集成度帶來(lái)的熱量集中
HDI 技術(shù)使得芯片能夠在更小的面積內(nèi)集成更多的功能模塊,這導(dǎo)致芯片內(nèi)部的熱量產(chǎn)生更加集中。高密度的電路布局和細(xì)小的互連線路使得熱量難以快速散發(fā),容易形成熱點(diǎn),影響芯片的性能和可靠性。
(二)封裝形式對(duì)散熱的影響
不同的封裝形式對(duì)芯片的散熱能力有不同的影響。例如,倒裝芯片(FC)封裝雖然能夠?qū)崿F(xiàn)高密度互連,但封裝底部的熱量難以直接散發(fā);系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)將多個(gè)芯片集成在一起,增加了散熱設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。
二、芯片 HDI 布局的散熱設(shè)計(jì)策略
(一)優(yōu)化芯片內(nèi)部布局
合理規(guī)劃芯片內(nèi)部的功能模塊布局,將高功耗模塊(如處理器核心、功率放大器等)盡量分布在芯片的邊緣或靠近散熱通道的位置。避免將多個(gè)高功耗模塊集中布置在一起,以減少熱量的局部積累。同時(shí),增加高功耗模塊與低功耗模塊之間的間距,有助于熱量的均勻分布。
(二)采用散熱導(dǎo)向的互連設(shè)計(jì)
在 HDI 布局中,設(shè)計(jì)散熱導(dǎo)向的互連結(jié)構(gòu)。例如,使用寬線設(shè)計(jì)來(lái)降低電流密度,減少因電流引起的焦耳熱;合理布置過(guò)孔,使熱量能夠通過(guò)過(guò)孔快速傳導(dǎo)到封裝基板或散熱片上。此外,可以采用多層布線結(jié)構(gòu),將高功耗模塊的互連線布置在靠近散熱層的層面上,以提高散熱效率。
(三)引入散熱結(jié)構(gòu)與材料
在芯片 HDI 設(shè)計(jì)中集成散熱結(jié)構(gòu),如散熱片、熱管、均熱板等。散熱片可以直接安裝在芯片表面或封裝基板上,增加散熱面積;熱管和均熱板則通過(guò)內(nèi)部的液體或氣體循環(huán),將熱量快速傳導(dǎo)到遠(yuǎn)離芯片的位置進(jìn)行散熱。選擇高導(dǎo)熱系數(shù)的封裝材料和互連材料,如銅、銀等,以提高熱量的傳導(dǎo)效率。
(四)利用仿真工具優(yōu)化散熱設(shè)計(jì)
借助專業(yè)的散熱仿真軟件,對(duì)芯片 HDI 布局的散熱性能進(jìn)行模擬和分析。建立詳細(xì)的芯片模型,包括芯片內(nèi)部的發(fā)熱模塊、互連結(jié)構(gòu)、封裝材料以及散熱結(jié)構(gòu)等。設(shè)置實(shí)際的工作條件,如功耗、環(huán)境溫度、散熱方式等,進(jìn)行熱仿真分析。根據(jù)仿真結(jié)果,評(píng)估散熱設(shè)計(jì)的效果,找出潛在的熱點(diǎn)問(wèn)題,并針對(duì)問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。
三、芯片 HDI 布局散熱設(shè)計(jì)的實(shí)踐案例
(一)高性能處理器芯片的散熱設(shè)計(jì)
在一款高性能處理器芯片的 HDI 布局中,采用了散熱導(dǎo)向的模塊分布策略。將處理器核心分布在芯片的中心區(qū)域,并在其周?chē)贾枚鄠€(gè)散熱過(guò)孔,將熱量快速傳導(dǎo)到封裝基板上的散熱片。同時(shí),優(yōu)化了互連布線結(jié)構(gòu),采用寬線設(shè)計(jì)和多層布線技術(shù),降低了互連線的電阻和電流密度,減少了因電流引起的熱量產(chǎn)生。通過(guò)散熱仿真和實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證,該芯片在高負(fù)載工作時(shí),溫度分布均勻,熱點(diǎn)溫度降低了 15%,確保了芯片的穩(wěn)定運(yùn)行。
(二)射頻芯片的 HDI 散熱設(shè)計(jì)
在射頻芯片的 HDI 布局中,針對(duì)功率放大器等高功耗模塊,采用了特殊的散熱設(shè)計(jì)。在芯片內(nèi)部,將功率放大器靠近芯片邊緣布置,并在其上方設(shè)計(jì)了一個(gè)小型的散熱片。同時(shí),優(yōu)化了互連線路的布局,減少因高頻信號(hào)傳輸導(dǎo)致的損耗和熱量產(chǎn)生。此外,采用了高導(dǎo)熱系數(shù)的封裝材料,提高了芯片的散熱效率。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試,該射頻芯片在工作頻率為 5G 的情況下,溫度穩(wěn)定性良好,功率輸出穩(wěn)定,滿足了射頻通信設(shè)備的散熱要求。
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