楊建明

(南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039)

高密度封裝電子設備先進熱管理技術發(fā)展現(xiàn)狀*

楊建明

(南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039)

隨著基礎器件材料、加工工藝以及系統(tǒng)集成的巨大進步，軍用電子系統(tǒng)尺寸越來越小，功率越來越大，導致熱密度不斷攀升，對冷卻技術的要求越來越高。為提高軍事電子系統(tǒng)的性能和可靠性，減小其體積、重量和功耗，美國國防預先研究計劃局(DARPA)積極將微電子、納米、微流體等先進技術應用在軍事電子裝備的熱控中，試圖打破制約裝備發(fā)展的熱瓶頸。文中分芯片、模塊和設備3個層級概述了熱管理技術途徑，闡述了DARPA熱管理計劃及其包含的具體項目，根據(jù)最新開展的芯片內/芯片間增強冷卻(ICECool)項目，指出了熱控技術的發(fā)展方向。

熱管理；微流體；熱地平；風冷換熱器微技術；納米熱界面；主動冷卻模塊；近結熱傳輸；芯片內/芯片間增強冷卻

引 言

軍事電子設備熱控系統(tǒng)控制軍事電子設備系統(tǒng)內部與外部環(huán)境熱交換過程，確保軍事電子設備在各種運行狀態(tài)下的溫度處于要求范圍內。熱控系統(tǒng)直接影響到電子設備的工作狀態(tài)、工作性能和工作壽命。隨著高性能固態(tài)電子設備的持續(xù)小型化以及3D芯片堆棧技術的發(fā)展，電子器件和系統(tǒng)的組裝密度越來越高，20世紀80年代，集成電路熱流密度約為10 W/cm2，90年代則增加到20～30 W/cm2，2008年已接近100 W/cm2[1]，目前芯片級熱流密度已經(jīng)超過1 kW/cm2。高熱阻導致先進計算機、雷達、激光器和電源等系統(tǒng)中熱管理設備很重，所占的體積非常龐大，阻礙了系統(tǒng)小型化發(fā)展，同時，由于受到散熱能力的限制，軍用電子系統(tǒng)的實際工作能力遠低于預期工作效能。

1 高密度封裝電子設備熱管理技術

根據(jù)結構組成，高密度組裝電子設備的冷卻結構可以分為芯片級、模塊級和設備級，每一層級的體積、熱流特點和對冷卻結構的要求各不相同[2]。

1.1 芯片級冷卻技術

芯片冷卻面臨的主要問題是芯片體積小、熱流密度集中，冷卻結構尺寸要求較小且必須保證電氣功能安全可靠。同時，芯片級冷卻的主要目的是將芯片產生的熱量高效地傳遞到外部熱沉進行散失。因此，芯片冷卻結構設計必須保證散熱性能好、散熱體積小、接觸熱阻小。

在材料選擇方面，芯片級冷卻技術主要通過選擇低熱阻界面材料來減小高熱流密度條件下的熱阻。熱界面材料包括導熱膠、導熱硅脂、相變材料、導熱彈性體、導熱膠粘劑和低熔點合金等。導熱系數(shù)是衡量熱界面材料的主要參數(shù)，應盡可能選擇導熱系數(shù)較高且較軟的薄的熱界面材料，以獲得緊密的表面接觸來消除熱傳導空隙，使其在厚度方向上溫差相對較小。

在冷卻通道方面，微通道是一種得到廣泛應用的強化冷卻換熱結構。微通道能夠在相同面積的芯片上使通道尺寸更小、數(shù)量更多、總面積更大、單位時間內換熱量更多，因此微通道冷卻能力大大超過常規(guī)冷卻手段所能達到的水平，其尺寸也可以在數(shù)微米和數(shù)毫米之間變化。為了解決個別大功耗處理器的散熱問題，微通道冷卻技術首先在地面大型計算機系統(tǒng)中得到應用。IBM、NEC、DEC 等公司在其研制的計算機中均采用了MCM 和微通道冷卻系統(tǒng)相結合的冷卻組件熱管理技術。

相對微通道而言，噴霧冷卻充分利用了液體的汽化潛熱，冷卻散熱效果好。噴霧冷卻是相變與對流換熱的結合，它通過噴嘴將霧化后的冷卻介質噴到需冷卻的電子元器件表面或導熱組件上，冷卻介質吸收熱量汽化后在專用的熱交換器以及儲液裝置內冷凝匯集，可循環(huán)使用。隨著MEMS 技術的發(fā)展，噴嘴尺寸得到了有效的控制，使得噴霧冷卻更加適合芯片級冷卻換熱。

1.2 模塊級冷卻技術

模塊作為芯片冷卻的第一級熱沉，提供將芯片熱量傳遞到外部環(huán)境的有效通路。因此，模塊冷卻結構設計必須保證模塊自身散熱性能較高、傳熱熱阻較小、結構較優(yōu)。

在材料選取上，目前較為先進的是由石墨和鋁復合而成的APG材料，它解決了石墨的脆性和強度問題，同時發(fā)揮了石墨導熱性能高的優(yōu)點。用APG材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋁合金材料作為模塊殼體的材料能夠大幅提高模塊的換熱性能，降低模塊上元器件的溫度。

在冷卻通道上，平板熱管能夠有效解決散熱問題和減小溫度梯度，通過降低熱阻而達到高熱導率，保證熱量快速及時傳遞。用熱管基板代替金屬基板作為模塊結構件能夠大大強化基板的熱擴散，熱板的等溫性也有助于降低熱阻，為模塊散熱提供更加有利的條件。

在結構設計上，相對單鎖緊機構，雙鎖緊機構在模塊兩側殼體分別設計散熱結構，安裝雙鎖緊裝置。每一側殼體上產生的熱量通過自身的鎖緊裝置直接傳導至設備進行散失，傳熱路徑縮短，傳熱熱阻減小，模塊上元器件溫度降低。采用雙鎖緊結構以后，模塊上元器件溫度能降低10 ℃左右。

1.3 設備級冷卻技術

設備作為芯片冷卻的最終熱沉，必須能將芯片產生并通過模塊傳遞出來的熱量最大限度地散失到外部環(huán)境中去。因此，必須保證設備冷卻結構自身的散熱性能較強、散熱面積較大、散熱效率較高。

設備級冷卻可從結構優(yōu)化設計、系統(tǒng)匹配性設計和流量分配設計進行考慮。結構優(yōu)化設計包含對設備外形、布局、材料、厚度等各個方面的優(yōu)化設計。對于采取自然對流冷卻散熱的電子設備，如何協(xié)調熱設計結構參數(shù)，提升其整體散熱效率，從而有效降低芯片的工作溫度，是自然散熱電子設備的關鍵。以風冷式強迫對流冷卻散熱的電子設備為例，系統(tǒng)匹配性設計至關重要。系統(tǒng)匹配性設計包含風機選型、風機安裝、風道設計等，由于安裝結構的限制，風機特性曲線可能發(fā)生變化。如果風機特性曲線與阻力特性曲線的工況點顯示的風量不滿足設計要求，則需要選擇其他型號的風機來匹配，或設法降低系統(tǒng)阻力，增加風量。

對于采取強迫對流冷卻散熱的電子設備，冷卻介質流量分配是影響電子設備冷卻散熱效果的關鍵因素。以強迫液體冷卻電子設備為例，不同模塊的功耗不同，需要的冷卻液流量也不同，在設計時應采取相應措施控制不同模塊通道的流動阻力，以保證給不同功耗的模塊分配與其功耗相匹配的冷卻液流量，最大限度地利用液體的散熱能力，保證設備內部溫度均勻，流動阻力最小。

2 國外先進熱管理技術

隨著軍用電子系統(tǒng)對散熱要求的不斷提高，DARPA于1998年開始致力于熱管理技術，開展了“用熱集成電路散熱(HERETIC)”計劃，用于開發(fā)一種使用微型液冷技術的高集成度、高性能散熱器件。該計劃研究內容涵蓋多個熱控技術領域，包括射流沖擊冷卻、熱電制冷、MEMS和熱聲冷卻，為后續(xù)開展的“熱管理技術”計劃奠定了基礎。同時，美國海軍和空軍等也各自在該領域進行了深入研究，制定了深入、系統(tǒng)的研究計劃。如美國海軍已經(jīng)將T/R組件的近期冷卻目標定為1 000 W/cm2，而遠期目標更達到8 000 W/cm2，進入了超高熱流密度范圍。為實現(xiàn)熱管理技術的重大突破，DARPA與2008年發(fā)起熱管理技術計劃，召集熱封裝、微材料和納米材料領域的科學家和國防電子系統(tǒng)設計師，在其熱管理技術(TMT)計劃中，針對典型熱耗傳遞鏈路，不斷推進在熱地平(TGP)、風冷換熱器微技術(MACE)、納米熱界面(NTI)、主動冷卻模塊(ACM)、近結熱傳輸(NJTT)等技術領域的研究，并于2012年推出芯片內/芯片間增強冷卻(ICECool)研究計劃，開發(fā)更為強大的冷卻技術，為美國成指數(shù)發(fā)展的國防部電子設備平臺提供熱管理方案。

2.1 DARPA熱地平(TGP)項目

TGP項目主要是為電子系統(tǒng)和多芯片組件開發(fā)薄而輕的高導熱襯底，包括與器件兼容的微納米結構材料，為集成電路板提供改善的散熱和結構支撐能力。TGP項目將熱管與導熱固體相結合，使用熱膨脹系數(shù)與電子器件匹配的高導熱材料，制造薄而平的熱管。TGP項目的目標是將橫向導熱系數(shù)提高到10 ～20 kW/(m·K)，即比銅材料高25～50倍。TGP項目充分利用真空空間內工作流體的蒸發(fā)和冷凝，依靠芯片結構內的毛細力將冷凝物泵回到蒸發(fā)器，通過這些相變過程，可以消除襯底上熱負載產生的熱不均勻性。一些TGP采用納米結構芯，可進一步增強液體和熱量的傳輸。TGP薄而輕，其殼體與常用電子設備材料Si、SiC或鋁的熱膨脹系數(shù)匹配，用于機載的TGP能夠在13g的加速度下維持導熱性能。

DARPA TGP項目團隊設計了各具特色的TGP。TGP面積變化范圍為4.5～75 cm2，厚度為1～4 mm。幾乎所有TGP的導熱能力都優(yōu)于金剛石或熱解石墨，有幾種TGP的導熱系數(shù)比商用貨架散熱片的導熱系數(shù)高10 kW/(m·K)，其導熱性能也明顯優(yōu)于商用貨架產品的固體散熱片。

2.2 DARPA風冷換熱器微技術(MACE)項目

風冷熱交換器微技術致力于降低散熱片和環(huán)境之間的熱阻，一方面通過射流和攪拌的方式提高對流換熱系數(shù)；另一方面進行風機的優(yōu)化設計，最終提高系統(tǒng)的綜合換熱能力。其首要目標是將散熱片熱阻控制到5 cm2·K/W，從而將100 W熱源的溫差ΔT在10 cm ×10 cm的尺寸上控制在5 ℃以下。MACE團隊以提高效能因子(散熱量和鼓風功耗之比值)為目標，在散熱器換熱能力、強迫對流風阻和風機效率之間建立最優(yōu)平衡，通過改進風冷系統(tǒng)提高散熱器的冷卻能力，同時降低能耗。

MACE項目產品與商用貨架散熱片的襯底面積相當，但大多數(shù)MACE產品的熱阻要小得多，一些情況下低至一個數(shù)量級。在MACE項目中，聯(lián)合技術研究中心使用了氣動優(yōu)化的肋片和流徑， Thermacore公司使用了壓電驅動攪拌器和帶有表面微結構肋片的綜合射流，Honeywell公司使用了由輕薄靜壓腔驅動的微射流，麻省理工學院使用了3D蒸汽腔、泵和冷凝器的集成單元，雷聲公司使用了集成微通道和射流沖擊。

2.3 納米熱界面(NTI)項目

NTI計劃研究和填充新型熱界面材料，以大幅降低電子器件與熱擴展板/散熱片之間的接觸熱阻。NTI計劃的主要目標是研制出一種能夠兼顧焊接型和環(huán)氧型熱界面材料優(yōu)點的一種柔軟低熱阻(0.01 cm2·K/W)熱界面材料，具有長期可靠性，且在外場可更換。另外，NTI還能適應粗糙、不平整的裝配表面。在DARPA NTI項目中，GE公司使用高貼合度銅納米彈簧，Teledyne公司使用分層焊料和柔性石墨膜，雷聲公司使用多層金屬鍵合材料的多壁碳納米管，佐治亞理工學院使用開放端口、高粘度和高導熱的碳納米管。NTI具有低熱阻和高粘合度特性，因此，熱界面材料既可以提供優(yōu)越的熱性能，又可以在熱循環(huán)過程中經(jīng)久耐用。

2.4 主動冷卻模塊(ACM)項目

ACM項目的主要目的是應用創(chuàng)新的熱點材料和冷卻概念，提高ACM的效能因子，并將ACM應用于固態(tài)激光器、焦平面探測器陣列、熱循環(huán)測試等設備的冷卻系統(tǒng)。ACM研究團隊的研究分為熱點材料和斯特林(Stirling)電機2個方向，這2種方式使用的材料和設計方式各不相同。

2.5 近結熱傳輸(NJTT)項目

NJTT項目采用高導熱襯底以及與器件兼容的轉換層，結合主動和被動冷卻技術，降低結殼熱阻。NJTT的目標是提高寬帶復合半導體晶體管(如GaN HEMT功率放大器)的輸出功率[3]。目前，GaN功率放大器通常生長在SiC襯底上，與Si襯底和藍寶石襯底一樣，面臨散熱能力不足的問題，導致器件使用時無法維持穩(wěn)定的性能。NJTT項目研究晶體管結附近100 μm區(qū)域的“近結”熱傳輸，以降低GaN器件中的主要熱阻，在該區(qū)域柵極下外延層的熱流密度甚至超過了太陽表面。NJTT團隊試圖在不改變電氣設計條件下尋求熱管理辦法，如利用高導熱材料和液冷辦法，有效地消除高功率GaN功率放大器的熱瓶頸。圖1是一個典型的HEMT上的NJTT概念設計。

圖1 NJTT HEMT概念設計示意圖

2.6 芯片內/芯片間增強冷卻(ICECool)

隨著電子器件和分系統(tǒng)集成密度的增加以及3D芯片堆棧技術的商業(yè)化，芯片功率熱耗超過100 W，局部熱點熱密度超過1kW/cm2，組件級熱耗散超過1 kW/cm3，接近當前熱管理計劃多環(huán)節(jié)散熱鏈路遠程冷卻方式能力的極限，也難以跟上先進硅以及復合半導體器件性能“摩爾定律”增長的速度?？朔@些障礙需要用微流體直接對芯片、襯底或組件上的生熱部位進行冷卻。利用介電液流對高功率部件進行冷卻的綜合液冷技術的優(yōu)勢已經(jīng)在計算和RF應用(如IBM Power 775超算中心電子復合體、高集成8 × 8 天線陣列以及SiC基GaN MMIC)中得到了驗證。

DARPA于2012年6月發(fā)布了“芯片內/芯片間增強冷卻”(ICECool)計劃第1階段的公告，名為ICECool基礎，探索革命性熱管理技術，幫助設計師大幅削減電子產品的大小、重量和功耗。 2013年2月又發(fā)布了關于ICECool計劃第2階段的詳細信息，名為ICECool應用，旨在將芯片內/芯片間微流體冷卻技術和芯片上熱傳導技術應用到RF MMIC和功能強大的嵌入式計算板上[4]。圖2～圖4分別為ICECool芯片概念、ICECool計劃芯片內冷卻概念和ICECool計劃芯片間冷卻概念圖。為實現(xiàn)ICECool應用計劃的目標，DARPA在RF功率放大器和嵌入式高性能計算2個技術領域開展研究。技術領域1將為工作于50 GHz頻率以下的GaN射頻MMIC功放開發(fā)微流體冷卻技術，支撐DARPA射頻寬禁帶半導體(WBGS-RF)、NJTT等已啟動計劃的繼續(xù)發(fā)展，盡量在改善熱性能的同時不影響芯片的電性能。技術領域1的性能指標(包括熱指標、電性能指標和可靠性指標)見表1和表2。技術領域2將為高性能集成電路(包括CPU、GPU和FPGA)開發(fā)微流體技術，為火控系統(tǒng)、本地數(shù)據(jù)處理與融合或其他體積/重量/功率受限系統(tǒng)提供嵌入式高性能計算，同時支撐DARPA嵌入式計算技術功效變革(PERFECT)計劃。技術領域2的性能指標(包括熱指標、計算性能指標和可靠性指標)見表3和表4。

圖2 ICECool芯片概念

圖3 ICECool計劃芯片內冷卻概念

圖4 ICECool計劃芯片間冷卻概念

熱指標第1階段(熱樣機)第2階段(電樣機)MMIC(芯片級)熱密度/(kW·cm-2)>1>1熱密度/(kW·cm-3)>2>2HEMT“熱點”熱密度/(kW·cm-2)>15>15熱流效能因數(shù)/(N·A-1)>20>20

表2 技術領域1電性能指標和可靠性指標

表4 技術領域2計算性能指標和可靠性指標

ICECool直接在器件結下面生成用于冷卻液流動的微通道，試圖從源頭上將高頻MMIC功放和嵌入式高性能計算機芯片的熱量去除。DARPA期望使用芯片內/芯片間的微流體技術以及片上熱互聯(lián)，使GaN射頻MMIC功放的散熱能力達到1 kW/cm2的量級，亞毫米“熱點”HEMT的散熱能力達到15 kW/cm2的量級甚至更高，組件級散熱能力達到2kW/cm3的量級，使嵌入式高性能計算(HPC)的散熱能力達到1 kW/cm2的量級，亞毫米宏觀單元熱點散熱能力達到2 kW/cm2的量級，芯片堆棧散熱能力達到5 kW/cm3的量級。

2016年5月，洛馬公司在ICECool計劃下使用向芯片底部噴灑微型水滴的微流體技術對GaN熱阻進行了冷卻，使用的散熱器厚250 μm，長5 mm，寬2.5 mm，使熱阻降低到了原來傳統(tǒng)方式的1/4，驗證了1 kW/cm2芯片散熱以及30 kW/cm2局部熱點散熱的能力[5]。

3 結束語

從DARPA“用熱集成電路散熱(HERETIC)”計劃到熱地平、風冷換熱器微技術、納米熱界面、主動冷卻模塊、近結熱傳輸?shù)葻峁芾砑夹g項目，再到最新開展的芯片內/芯片間增強冷卻計劃，在軍用電子裝備散熱能力增加的外部需求以及熱控技術進步的內在能力雙重推動下，熱管理技術將向以下幾個方向發(fā)展：

1)充分重視熱管理的作用，將熱管理技術置于與功能設計和功率供應同等重要的地位；

2)在電子器件功能設計階段使用電氣、機械、熱控協(xié)同設計技術；

3)將微流控冷卻直接集成到芯片、襯底和組件結構中，對熱量源頭進行直接冷卻。

[1] 平麗浩, 錢吉裕, 徐德好. 電子裝備熱控新技術綜述(上)[J]. 電子機械工程, 2008, 24(1): 1-10.

[2] 田灃, 張婭妮, 邸蘭萍, 等. 高密度組裝電子設備冷卻技術應用研究[J]. 電子與封裝, 2014, 14(11): 1-4, 20.

[3] DARPA. Near junction thermal transport (NJTT) [EB/OL].(2010-11-09) [2016-08-10]. https://www.fbo.gov/index?s=opportunity&mode=form&id=dd297be97f637fee6078f24268e8ca97&ab=core&_cview=1.

[4] DARPA. ICECool applications (ICECool Apps) [EB/OL].(2013-02-06) [2016-05-18]. http://www.engineering.uiowa.edu/sites/default/files/files/DARPA-BAA-13-21_Amendment_1_Final_For_Posting_12Feb2013.pdf.

[5] Researchers may have solved the problem of thermal resistance for ics [EB/OL].(2016-05-23)[2016-08-13]. http://www.electronics-cooling.com/2016/05/researchers-may-have-solved-the-problem-of-thermal-resistance-for-ics/.

楊建明(1961-)，男，工程師, 主要從事加工工藝及物資應用管理工作。

Development Status of Advanced Thermal Management Technology for High-density Packaged Electronic Equipment

YANG Jian-ming

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

With tremendous progress in the field of fundamental material, processing technology and system integration capability, the military electronic system becomes smaller and smaller and higher and higher in power, which leads to rising thermal flux and critical cooling requirement. DARPA has been actively applying microelectronics, nanotechnology microfluidics and other advanced technologies to thermal control of military electronic equipment so as to improve the system performance and reliability, reduce the size, weight and power of the military electronic system and finally break thermal bottleneck restraining equipment development. In this paper, approaches for thermal management are described from chip, module and equipment. The thermal management program and projects of DARPA are introduced. And the development trend of thermal management technologies is pointed out according to the newly developed ICECool project.

thermal management; microfluidics; TGP; MACE; NTI; ACM; NJTT; ICECool

2016-08-14

TK124

A

1008-5300(2016)05-0020-05