散熱銅柱凸塊：一種熱量和電力管理的方法
Paul A. Magill, PH.D., Nextreme Thermal Solutions
電子產品的發展正受限於熱和電力的問題，特別是針對高階的覆晶元件。系統級冷卻方式則受限於電力需求。創新的方法是將散熱材料整合到銲錫凸塊中，提供晶片層級作單點冷卻，並使得系統端的效率提升。
在半導體晶片、封裝和系統層級中較高的元件密度、裝置、速度和微型化都造成電子產品的熱發散和高耗電密度。
要達成系統級冷卻所需要的電力有一個基本的限制，因此以為系統級冷卻可以解決這些問題是一種誤解。
不同於取代系統級冷卻方式，新的電子產品熱量管理方法是集中在何時及何處需要適當的冷卻，這種方式可在晶片和模組層級達成均勻性，因此系統端可以作業的更有效率。此外，當系統級方式隨系統縮小，這種在晶片級的方式也隨之縮小。
散熱銅柱凸塊(copper pillar bump，CPB)方式是將薄膜熱電材料整合到覆晶封裝的銲錫凸塊中，使得晶片表面主動式熱量管理和電力產生，在使用業界可接受的製造方式確保無接縫地進行。不同於傳統的銲錫凸塊提供電性通路和機械結構，每個散熱銅柱凸塊就如同微尺寸的固態熱泵。
散熱凸塊可整合成標準覆晶封裝的一部份(圖一)，並與電性凸塊結合(用於電源、接地和訊號)，這種技術提供電子產品新的散熱功能，可以如同電晶體、電阻和電容整合到電路設計之中。
這種技術延伸傳統銲錫凸塊連接的應用，並提供覆晶封裝零件主動式與整合的冷卻功能。它的電力生成能力使得銅柱凸塊能夠運用在能源回收上，在此之前，銲錫凸塊只能提供機械性、電性和被動式的散熱功能。
主動式的散熱銅柱凸塊當電流流經60微米高的凸塊時可以達成60℃的溫差，此外，最大電力汲取能力超過每平方公分150瓦，而當接觸熱時可以產生10毫瓦的電力。
散熱銅柱凸塊結構
圖二顯示TE支柱的電子顯微鏡截面圖，TE元素在結構上相當於銅柱凸塊堆疊加上額外的一層TE層，增加的TE層把標準的銅柱凸塊轉變成主動式熱電銅柱凸塊。當電性和散熱性正確的配置時，TE層提供主動式熱電性，將熱從凸塊的一端傳導至另一端。
熱傳導的方向由熱電材料的摻雜型態(n型或p型半導體)以及電流流經此材料的方向所決定，這種熱電式傳導稱為珀爾帖效應(Peltier effect)，相反的，如果熱能流經熱電材料的一端到另一端，產生電流的現象稱為塞貝克效應(Seeback effect)。塞貝克效應是珀爾帖效應的相反作用，在此模式下，電流因熱流經TE元素而產生。圖二為在珀爾帖和塞貝克兩者模式下可運作的結構。
圖三比較典型銅柱凸塊和薄膜散熱銅柱凸塊的結構，這些結構是相似的，且都擁有銅柱和銲錫連接的部份。兩者主要的差異在於兩個銲錫層之間導入了p型或n型熱電層。無論銅柱凸塊或散熱銅柱凸塊使用的銲錫凸塊可以是一般常用的任何一種銲錫，包括鉛錫共晶、錫銀和錫金，但不限於此。
圖四顯示銅柱凸塊的放大圖像，通過散熱銅柱凸塊的熱流，經由晶片上的金屬佈線設計來變更，這些佈線的厚度能夠到幾微米，做成堆疊或交叉狀，提供從底層電路的熱傳導路徑以收集熱量；以及將熱引入到散熱銅柱凸塊。這些將電流傳導至散熱銅柱凸塊的金屬佈線，未必全部都直接連接到晶片的電路。但無論何者都有內建的溫度感應器和驅動電路來控制迴圈內的散熱銅柱凸塊，以達到最佳效能。其次，散熱銅柱凸塊汲取的熱量與過程中所產生額外的熱量，將退回到基底或電路板。
由於散熱銅柱凸塊的散熱效能可以靠提供退回熱量的路徑來改善，在背面使用高傳導基底像是氮化鋁或金屬(例如銅、鎢銅、鉬銅等)和介電層作為高熱量傳導路徑是有幫助的。高熱量傳導基底將被視為熱量退回的自然路徑。有時像是印刷線路板的基底是多層基底設計，以提供高密度的內導線，在這種情形下，印刷線路板的熱傳導性也許相對較差，而增加熱通孔(例如金屬栓塞)則可以提供優良的熱量退回路徑。
應用
由於散熱銅柱凸塊與傳統銅柱凸塊的結構相似，而且使用相容的製程技術，所以能整合於現行銅柱凸塊基礎的製程中。散熱銅柱凸塊可以用許多不同的方式冷卻晶片。
一般冷卻：散熱銅柱凸塊能夠分佈於整個晶片表面，並能提供晶片表面均勻分散的冷卻效果。在此情況下，散熱銅柱凸塊也許與訊號、電源和接地的標準銅柱凸塊交互分布，讓散熱銅柱凸塊直接放置在晶片的主動電路下以達到最大效能。銅柱凸塊的數量和密度決定於晶片的熱量負載，每一對P/N在給定電流下，提供特定溫差(△T)和特定熱量汲取(Q)。晶片上的溫度感應器(「內建的」感應器)能提供散熱銅柱凸塊性能直接的量測，並回饋到TEC驅動電路。
精確溫度控制：由於散熱銅柱凸塊能藉由電流方向冷卻或加熱晶片，因此可用在特定溫度範圍下操作的晶片提供精確的溫度控制，無論外界條件為何。這是許多光電零件經常碰到的問題。
熱點冷卻：對於微處理器、圖形處理器和其它高階晶片，當晶片上電能密度差異顯著時熱點就會產生，嚴重影響元件性能。由於散熱銅柱凸塊的體積小、並且在晶片主動區域表面相對可以較高密度的放置，這種結構特別適合於熱點冷卻。在此情況下，散熱銅柱凸塊不一定需要均勻的散佈。相對的，這些散熱銅柱凸塊應集中在熱點的區域，而熱量密度較低的區域則只要單位面積較少數量的散熱銅柱凸塊，因此散熱銅柱凸塊的冷卻效果只需施加在需要的地方，進而減少了驅動冷卻所需的電力，以及系統普遍的過熱現象。
結論
這種小尺寸、方法容易整合的新技術開啟了改善晶片速度並且保持或提升系統能量消耗效率的一扇大門。
作者
Paul A. Magill博士，Nextreme Thermal Solution行銷及業務發展處副總經理，Cornwallis路3040號，郵政信箱13981，三角研究院，北卡州27709-3981；電話919/597-7318；電子郵件信箱：pmagill@nextremethermal.com。
圖一：散熱和電性凸塊。
圖二：散熱銅柱凸塊的橫截面。