本文介绍了先进封装的散热比传统封装难上一个数量级的原因。
散热到底靠什么? 热量从芯片传到外界,本质上遵循一个很简单的关系: 温升 = 热功率 × 热阻 ΔT = P × R_th P(热功率):要散掉多少热; R_th(热阻):热量传出去有多困难,热阻越大,同样的热量造成的温升越高; ΔT(温升):芯片比环境高多少度; 所以散热变难,只有两个途径:热功率 P 变大,或者热阻 R_th 变大。
为什么先进封装散热更难? 一个封装通常就装一颗芯片。这颗芯片的功耗就是这个封装要散的全部热量,几瓦到几十瓦,相对可控。而先进封装一个封装里装了一堆东西——一颗几百上千瓦的计算芯片(GPU/AI ASIC)+ 好几颗 HBM + 各种 chiplet。 把原本分散在整块板子上的多个热源,全部汇聚到了一个封装里。 总热功率是成倍甚至数量级的增加,但封装面积不可能成倍增加,结果是功率密度(W/cm²)急剧上升。 如果只是热量变多,加大散热器还能应付。真正让先进封装散热"难得多"的,是热阻的结构性增大——热出不来。 3D 堆叠成好几层(HBM 是 8/12/16 层 DRAM,逻辑芯片也在往堆叠走), 中间层和底层的芯片被上下夹住了它们的热量要到达顶部散热器, 必须依次穿过上面每一层芯片、以及每一层之间的键合界面;每穿过一层,就叠加一份热阻。热阻是一路加上去的,堆得越高,底层芯片到散热器的总热阻越大,温度就越高。 先进封装里有多个热源,它们的散热路径互相交织、互相干扰,多个热源争抢同一条散热通道 即使同一颗计算芯片,不同功能区块的活跃程度和发热差异极大,会出现局部热点。 因为散热设计必须按最热的那一点来,而不是按平均值来。 平均温度达标毫无意义,只要有一个热点超温,芯片就要降频或损坏; 而热点往往面积很小、位置分散、还随负载动态变化; 均匀的热流用均匀的散热方案就能解决;不均匀的热流需要针对性的、精细的、动态的热管理,难度完全不是一个级别.1,热功率 P 变大——热更多、更集中
2,热阻 R_th 变大
3,温度不均匀
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