来源 | Microelectronics Reliability

链接 | https://doi.org/10.1016/S1872-5805(25)60964-4

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背景介绍

倒装芯片球栅阵列（FCBGA）是当前CPU和GPU的主要封装形式。随着人工智能芯片的小型化和智能化，FCBGA芯片的功耗持续增加（H100的功耗已超过800瓦），散热问题变得日益严重。在整个芯片的散热系统中，热界面材料（TIM）的热导率是限制FCBGA封装散热能力提升的关键瓶颈。目前商业化的TIM，如X-23，其热导率为3.8至6 W/mK，不足以应对现有FCBGA的高散热需求。

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成果掠影

近日，中南大学汪炼成、朱文辉团队将定向碳纤维引入硅油基体中，制备了一种热导率为21.0W/mK的导热垫，并将其作为FCBGA封装中的TIM1使用。通过优化包括盖板附着、切割锯和封装结构设计在内的关键工艺，封装后的覆盖率达到了88.22%。热仿真表明，将FCBGA中的TIM从X-23替换为自制导热垫后，结温（Tj）从69.9摄氏度降低到66.8摄氏度。此外，还对采用碳纤维导热垫作为TIM的FCBGA封装进行了可靠性测试。研究成果以“Investigation on FCBGA package with vertical-aligned carbon fiber thermal pad as thermal interface material”为题发表在《Microelectronics Reliability》期刊。

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图文导读

图1. 以碳纤维导热垫作为热界面材料的FCBGA封装工艺示意图。 

图2. a, b) 导热界面材料中碳纤维填料的形态，分别以低分辨率和高分辨率显示；c, d) 由碳纤维填料组成的导热界面材料的形态，分别以低分辨率和高分辨率显示；e, f) 导热界面材料中的碳纤维填料。

图3.不同切割方法后导热界面材料的SEM形态。a) 使用切割锯切割后的横截面形态；b) 使用刀片切割后的横截面形态；c) 使用离子束切割后的横截面形态；d) 使用离子束切割后的横截面形态的高分辨率图像。

图4.a) 样品1，b) 样品2和c) 样品3的封装结构示意图。

图5.样品1、2和3在固化过程（a-c）、回流过程（d-f）和预热过程（g-i）后的FCBGA封装扫描图。

图6.a) 不同样品的盖板和基板翘曲，b) 不同样品的芯片区域盖板和基板翘曲，c) 30°C和d) 260°C下由FCBGA翘曲引起的分层示意图。

图7.a) 钻石刀切割路径示意图；b-c) 样品3的OM横截面图像；d-f) 样品3的SEM横截面图像。