CPU的封装与散热分析

Zjianeng

CPU封装的发展趋势及散热问题

4 }" m6 v2 E! b8 Y& f" S# Q2 ]由CPU封装的发展角度来看散热问题是最明显的例子，以Intel的CPU为例，由早期8086的陶瓷DIP封装，到486及Pentium的PGA封装，在功能整合的要求下，双槽陶瓷PGA发展成为Pentium Pro CPU的设计核心，而Pentium2的OLGA卡式模组的设计虽然使功能提高，但也加大了封装的体积，随着IC向高密度集成及高密度封装发展，目前所有的CPU都已不采用线焊形式的芯片连结方式以及陶瓷封装形式，取而代之的是有机基板封装及倒装芯片形式的芯片连结方式，这使得I/O脚数更多，电性功能更强，体积更小，成本也更低。

! @, g0 k/ d% y然而，当I/O数持续增加使焊球焊点数需激增至数千个时，FC及底胶技术将面临严峻挑战，如UndeRFill内的空孔，密集的Bump-to-die连续时所需处理得Signal、Power、Ground层间连接问题，低介电常数材料的低热传导性等。因此，2001年十月Intel披露其正在发展新一代的封装技术--无焊内建层技术封装BBUL来替代FC技术，如图12（a）所示，图12（b）则为BBUL的横剖面结构示意图，相对于目前的FC-BGA而言，BBUL技术并不需通过锡球焊点（Solder Bump）的生成而直接嵌入BT基板中，与FC相比较，由于3μm厚铜垫取代了FC封装中的90μm Bump的高度，因此整体高度约可缩减至FC的一半；约0.9mm，而这也自然缩短了传统FC透过Underfill及soledr Bump的传热路径，此外，由于布线长度更短，因此可以直接在表面基层进行布线处理。由于不采用Underfill，因此也避免了Underfill内部的空孔问题。对此技术评估认为可以将CPU上的寄生电感降低至少30%，处理器的功耗也因此可降低至少25%，此外，另一优点在于可内置多个芯片在相同的BBUL封装体中，如将CPU与Chipser同时埋入相同的封装体内，在热性能方面，BBUL结构与传统的FC-BGA差异不大，透过数值软件的模拟比较，发现其在散热上只比FC-BGA差约2.5%，主要是因为FC-BGA扩散热的能力较BBUL的增层扩散热量好。BBUL技术的开发成功将可使现今的时钟频率提高数倍，按照Intel的评估，应用BBUL封装技术后在未来几年内将设计出操作频率超过20G赫兹的CPU产品。
; Y7 `9 [4 [" \# w4 |& W. V  n! c
% I& o) F. u2 l- Y9 u3 T# I从散热角度分析，由于CPU发热密度大，因此在设计上散热问题一直占有很重要的地位，从早期的陶瓷封装到目前的FC-BGA封装，散热问题一直起着很重要的作用，在传统的FC-BGA封装中，芯片上方结构未加任何散热装置时，热量的传递主要透过衬底及锡球焊点，占了大约80%-90%，如图13（a）所示，然而，一旦附加辅助的散热结构（Heat Spreader、Heat Sink、Fan等）后，如图13（b），则整个散热途径改变，转变成80%-90%通过封装上表面散逸出去。由于CPU的高发热量和封装器件散热途径的改变，使得散热设计的重心也随之向封装上边的路径转移，并采用强制对流空冷的散热模组设计，因此散热的设计就集中在从芯片到外壳及外壳到环境两个方面，以下介绍这两方面的散热解决策略。
' g- o5 v  Z) P0 L3 d. I0 U, Y
3 G9 \& p; }: \+ @9 ?5 }. P4 X" S# L从芯片到外壳封装是散热设计中最重要的部分，但是由于受限于封装结构及尺寸，因此目前散热设计的重点是如何将芯片的发热均匀化，而高传导性的均热片或是热管等器件就得到重用，最新技术的开发是微型平板热管4的引入，由于在原理是利用二相流特性，传导性比铜等金属要高，其发展前景很受重视，另一个重要的应用则是利用固态的微热量器件做热点的散热。
* D5 r, `4 ?- N. Y
  在封装外壳到环境的部分，则需考虑如何有效地将热带走，传统气冷的散热片加风扇的设计在热密度有限的状况下已逐渐发展到极限，目前除了整合热管或是利用高传导材料以增加气冷效率之外，许多更高效率的散热方式也开始研发，例如单相的液冷或喷流冷却等。此外，针对CPU的散热问题，目前在芯片上也设计了温度传感器以监控温度变化，对于风扇风速也可分段控制，以达成最佳化的热管理。

  由于IC的运算速度越来越高以及功能越来越强，封装技术的发展也十分迅速，而散热问题也越来越受到重视，尤其是当封装向SIP发展时，散热问题成为备受关注的研究热点，最有效的电子器件散热解决方案是从封装级开始着手，分析传热路径对器件热阻的影响，并借助封装架构设计及新材料开发来进行散热设计。


  展望未来，IC封装中的热传导技术仍具有重要的地位，散热设计的优劣直接关系到芯片的性能与可靠性。如Intel在其技术论坛中提及，由于线宽进入纳米尺度时其漏电流与散热问题迟迟无法获得一个妥善的解决方案，因此暂时放弃开发更高主频率的CPU，而转向发展双核心甚至多核心CPU。即使如此，散热问题也只是暂时得到缓解，单个CPU的发热量仍然会持续增加，散热面临的挑战会更大。

. w# E# G7 D5 A6 K$ p! L: Z
& I& m7 j" v: X- e5 g$ r最后，除了封装级的散热设计之外，开发高性能且低成本的散热器件的需求也非常迫切，惟有将两者一起进行综合设计，才能产生最佳化的IC器件散热解决方案。
, n+ O# a" T0 z9 _( H

/ \+ a4 n1 a& s* m# V

zmmdmn

I/O脚数更多，电性功能更强，体积更小，成本也更低。符合要求

srilri2

CPU的散热影响产品体验