陳榮暉、侯凱傑 / 工研院材化所
人工智慧（AI）與高效能運算需求增加，3D IC與先進封裝技術持續往高整合度、高功率方向發展。但堆疊層數與元件數增加後，熱量不易由封裝內部排出，容易造成局部熱點、溫度梯度與熱應力，影響晶片效能與可靠度。散熱已不只是封裝完成後再處理的問題，而需要在晶片與封裝設計階段一併考量。影響3D堆疊晶片散熱的因素包括材料熱傳特性、熱源位置、TSV配置、微流道結構與冷卻方式等。這些參數彼此影響，單靠改善其中一項往往無法解決整體散熱問題。數值模擬因此成為前期設計的重要工具，可在硬體完成前先評估溫度分布、熱點位置與熱傳路徑。本文整理3D IC的熱耦合問題，並以1,200W GPU冷板與800W兩相浸沒式冷卻的模擬結果，說明流場不均與氣泡滯留對散熱的影響，同時比較微通道冷板、兩相流冷卻與晶片級微流體冷卻的效能與限制。在晶片功耗持續攀升的情況下，液冷在高功率晶片散熱中的重要性逐漸提高，冷卻結構也朝更接近晶片熱源的位置發展，以降低熱阻並改善局部熱點。
【內文精選】
先進散熱技術：從微通道到兩相流
隨著AI與高效能運算晶片朝高功率、高整合度發展，以散熱鰭片搭配風扇的空冷方式逐漸面臨較大的散熱負擔。相關綜述指出，2.5D堆疊在約300W以下仍可依靠氣冷，3D堆疊則多需液冷或混合冷卻方案。
1. 微通道與冷板液冷技術
目前液冷主要透過冷板將冷卻液帶至接近晶片的位置，使熱量經由晶片、熱界面材料及冷板傳遞至流體。相較於空氣，液體具有較高的熱容，因此能在有限空間內移除較大的熱負載。若於冷板內部導入微通道或微結構，可增加固體與冷卻液之間的接觸面積，縮短熱傳路徑並提高對流散熱效率。不過冷板的散熱能力並非僅由流量決定，內部流場分布同樣是重要的設計參數。該分析建立1,200W GPU冷板模型，晶片尺寸設定為28.3 mm × 28.3 mm，對應熱通量約150 W/cm2，並以2 m/s入口流速進行模擬。結果顯示，冷卻液進入冷板後受流道幾何與局部流阻影響，導致散熱能力沿流動方向並不均勻；晶片表面溫度由入口側向出口側逐漸升高，並於局部高溫區域出現汽化，形成氣泡聚集帶，如圖二所示。
圖二 1,200W GPU冷板內溫度與蒸氣體積分率分布
上述溫度不均的原因，可由流場分布進一步說明。圖三的流線結果顯示，冷卻液自入口進入後呈放射狀展開，在冷板中段形成大範圍迴流，邊緣與角落區域的流速明顯偏低；出口側則因流道收斂而使流速升高至約4.68 m/s。流速偏低的區域對流散熱能力不足，正是溫度偏高與氣泡優先生成的位置。因此高功率冷板的設計需同時考量熱傳與流場，而非僅以提高入口流速作為改善方式。
針對流速分布不均與局部汽化的情形，可透過冷板內部微結構的幾何設計進行調整，例如改變微通道尺寸、重新配置流道或增加微鰭片，以增加有效熱交換面積並改善冷卻液分布。在涉及液氣相變的條件下，表面性質也會影響氣泡的成核、成長與脫離行為，因此可進一步透過表面微/奈米結構與潤濕性設計，減少氣泡長時間附著於高熱通量區域所造成的局部熱阻。微通道液冷的設計因而涉及流道幾何，也與材料、表面特性及流體條件有關。
2. 兩相流冷卻與相變潛熱
當晶片熱通量持續提高，單相液冷所需的流量、壓降與泵浦功耗也隨之增加。兩相流冷卻則是讓冷卻液在高溫表面發生液氣相變，利用汽化過程吸收潛熱，使冷卻介質在較低質量流率下仍能移除較大的熱負載。相較於僅以低溫液體帶走顯熱，兩相流可額外利用相變潛熱提升散熱能力，因此具有應用於高熱通量AI晶片的潛力。
3. 兩相浸沒式冷卻與臨界熱通量問題
兩相流雖具有較高的熱傳能力，但其性能並不會隨熱通量無限制提升。當受熱表面產生的氣泡數量快速增加，氣泡可能彼此合併並覆蓋熱源表面，使液體無法持續補充至高溫區域。此時系統會逐漸接近臨界熱通量（Critical Heat Flux; CHF）狀態，散熱能力隨之快速下降。本文建立兩相浸沒式冷卻模型，以Novec 7000作為冷卻介質，環境溫度設定為25˚C，並以800W熱源進行暫態模擬，模型配置與氣液相分布如圖四所示。模擬結果顯示，隨著時間增加，氣泡逐漸於Heat Spreader表面生成與累積；約在7 s時，可觀察到大量氣泡聚集於受熱表面且不易排除，使液體與固體表面的有效接觸面積降低，造成局部熱堆積，並使IC整體表面 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》479期，更多資料請見下方附檔。