突破輕薄設(shè)備的性能邊界

解析三星移動(dòng)SoC先進(jìn)封裝技術(shù)

推出全新封裝架構(gòu)，提升移動(dòng)應(yīng)用處理器的熱管理效率

在當(dāng)今競(jìng)爭(zhēng)高度激烈的半導(dǎo)體市場(chǎng)中，移動(dòng)應(yīng)用處理器(AP)被要求在愈發(fā)受限的裝配空間內(nèi)持續(xù)實(shí)現(xiàn)性能提升。隨著智能手機(jī)形態(tài)不斷向輕薄化演進(jìn)、高性能計(jì)算需求的增長(zhǎng)以及端側(cè)AI應(yīng)用的普及，使得更高的功耗被壓縮在更小的體積之中，進(jìn)而導(dǎo)致功率密度上升、發(fā)熱問(wèn)題加劇。同時(shí)，消費(fèi)者對(duì)更長(zhǎng)續(xù)航以及更輕薄機(jī)身的期待不斷提高。由此，移動(dòng)AP的開(kāi)發(fā)已不再局限于性能的漸進(jìn)式提升，而是需通過(guò)結(jié)構(gòu)層面的演進(jìn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)有限內(nèi)部空間的更高效利用。

在上述背景下，移動(dòng)AP封裝正逐步突破傳統(tǒng)“芯片保護(hù)”的單一角色，演進(jìn)為一項(xiàng)在系統(tǒng)層面高效散熱與熱管理、并提升空間利用率的關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)封裝架構(gòu)設(shè)計(jì)與散熱路徑優(yōu)化，移動(dòng)AP封裝在保障性能與可靠性的同時(shí)，支持更輕薄的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并為更大容量電池釋放寶貴空間，其在移動(dòng)AP中的重要性正持續(xù)提升。

當(dāng)通過(guò)提高功耗來(lái)?yè)Q取性能提升時(shí)，AP的工作溫度也會(huì)隨之上升；而為抑制溫升又必須降低功耗，這將直接限制芯片性能的充分發(fā)揮。因此，熱阻管理已成為移動(dòng)AP設(shè)計(jì)中確保性能穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。在傳統(tǒng)移動(dòng)封裝中，業(yè)界通常通過(guò)采用高導(dǎo)熱材料或增加硅片厚度來(lái)改善散熱性能。然而，在整體持續(xù)小型化的發(fā)展趨勢(shì)下，僅依賴(lài)材料性能提升或芯片加厚，在從根本上解決散熱問(wèn)題方面已存在明顯局限。

傳統(tǒng)PoP(PackageonPackage)設(shè)計(jì)的局限性

對(duì)于旗艦級(jí)AP與SoC，業(yè)界通常采用PoP(Pack-ageonPackage)結(jié)構(gòu)，即將DRAM直接堆疊在AP芯片之上，以提升整體性能。然而，受移動(dòng)終端對(duì)厚度的嚴(yán)格限制影響，封裝整體厚度在代際演進(jìn)中持續(xù)減薄。隨著封裝變薄，AP裸片厚度也隨之降低，芯片內(nèi)部產(chǎn)生的熱量向外傳導(dǎo)的擴(kuò)散路徑被進(jìn)一步壓縮，散熱效率受限，導(dǎo)致芯片溫度快速上升并觸及熱限制，從而直接制約持續(xù)性能輸出。

在AP工作過(guò)程中，封裝內(nèi)硅片產(chǎn)生的熱量需要被迅速傳導(dǎo)至封裝外部，以降低芯片溫度。熱阻越低，散熱效率越高，越有助于在高負(fù)載場(chǎng)景下維持穩(wěn)定性能。為此，終端廠商通常通過(guò)熱擴(kuò)散片、均熱板等散熱組件，將AP產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至外部散熱結(jié)構(gòu)。然而，在傳統(tǒng)POP架構(gòu)中，DRAM封裝位于AP芯片上方，阻斷了AP與散熱組件之間的直接傳熱路徑。這一結(jié)構(gòu)特性降低了整體傳熱效率，成為在封裝層級(jí)與系統(tǒng)層級(jí)上制約性能進(jìn)一步提升的根本性限制因素。

三星HPB封裝技術(shù)：滿(mǎn)足移動(dòng)AP對(duì)持續(xù)性能提升的關(guān)鍵需求

三星通過(guò)在AP芯片上方引l入熱傳導(dǎo)塊(HeatPath BlocK，HPB)，顯著提升了熱管理能力。該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了HPB在扇出型晶圓級(jí)封裝(FoWLP)中的行業(yè)首次應(yīng)用，有效降低了封裝內(nèi)部熱阻，使移動(dòng)AP即使在高負(fù)載工況下也能保持穩(wěn)定性能。

在此基礎(chǔ)上，三星開(kāi)發(fā)出一種全新的封裝類(lèi)型，用以更高效地將AP裸片產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至手機(jī)整機(jī)的散熱組件。與傳統(tǒng)PoP結(jié)構(gòu)中DRAM封裝位于AP上方、阻礙散熱不同，該新結(jié)構(gòu)對(duì)DRAM位置進(jìn)行了重新布局，使其不再覆蓋主要發(fā)熱區(qū)域；同時(shí)，將具備高效導(dǎo)熱能力的HPB直接布置在熱源上方，從而構(gòu)建更直接、更高效的散熱路徑。

HPB的核心優(yōu)勢(shì)

三星在開(kāi)發(fā)HPB時(shí)確立了一個(gè)明確目標(biāo)：高效導(dǎo)出AP裸片產(chǎn)生的熱量，確保性能長(zhǎng)期穩(wěn)定釋放。為在引入HPB的同時(shí)保持封裝結(jié)構(gòu)的可靠性，三星同步采用了全新的導(dǎo)熱界面材料(Thermal Interface Material，TIM)，該材料兼具高導(dǎo)熱性能與優(yōu)異的界面粘結(jié)可靠性，從而在提升散熱效率的同時(shí)，確保封裝整體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與可靠性。

在傳統(tǒng)POP結(jié)構(gòu)中，位于下層的AP裸片若要將熱量向上導(dǎo)出，必須經(jīng)過(guò)中間的DRAM封裝。其傳熱路徑依次穿過(guò)DRAM封裝底部的焊球、基板、DRAM裸片以及環(huán)氧模封材料(EMC")。在這一過(guò)程中，具有相對(duì)較高導(dǎo)熱性能的焊球僅分布在有限區(qū)域，而基板中的介電層2)、用于芯片貼裝的DAF3以及EMC均屬于低導(dǎo)熱材料，導(dǎo)致熱量在DRAM封裝內(nèi)部的傳導(dǎo)效率先天受限，從而難以高效傳遞至均熱板等移動(dòng)終端散熱組件。

相比之下，應(yīng)用于Exynos2600的HPB采用金屬材料制造(銅，導(dǎo)熱系數(shù)約400W/m·K)，其導(dǎo)熱性能較基板、DAF或EMC等聚合物材料高出約500-1.000倍。借此，AP裸片產(chǎn)生的熱量可被迅速導(dǎo)出封裝之外，有效抑制熱源處的溫升，為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可持續(xù)的性能輸出提供了有利條件。

從挑戰(zhàn)到突破：塑造三星移動(dòng)封裝未來(lái)的研發(fā)之路

在新封裝的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)針對(duì)AP裸片向HPB方向的熱傳導(dǎo)路徑進(jìn)行了優(yōu)化，相較于傳統(tǒng)PoP結(jié)構(gòu)顯著提升了散熱效率。具體做法包括將DRAM封裝面積縮減至約一半，并對(duì)整體封裝高度與AP封裝厚度進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化。這些結(jié)構(gòu)調(diào)整旨在增強(qiáng)熱傳導(dǎo)路徑，同時(shí)盡量避免整體封裝尺寸增加。

由于DRAM的非對(duì)稱(chēng)布局，AP-DRAM接口也進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，并對(duì)芯片及封裝整體架構(gòu)進(jìn)行了改造，以兼顧性能與可靠性。此外，HPB結(jié)構(gòu)的降溫效果在開(kāi)發(fā)階段已通過(guò)多視角模擬進(jìn)行預(yù)驗(yàn)證，并結(jié)合材料、工藝和產(chǎn)品各階段的根因分析與選代優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)性能的穩(wěn)定達(dá)成。這一過(guò)程依托相關(guān)部門(mén)的緊密協(xié)作，形成了高效的跨職能開(kāi)發(fā)體系。

隨著移動(dòng)處理器在嚴(yán)格厚度約束下對(duì)性能的持續(xù)提升需求，封裝層級(jí)的熱阻設(shè)計(jì)將成為保障AP持續(xù)性能的關(guān)鍵因素?；贖PB的封裝架構(gòu)展示了通過(guò)優(yōu)化熱傳導(dǎo)路徑的結(jié)構(gòu)性改進(jìn)，如何有效突破傳統(tǒng)封裝的限制。

通過(guò)HPB的研發(fā)，三星電子積累了寶貴的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)、驗(yàn)證方法論及強(qiáng)有力的跨部門(mén)協(xié)作框架?；诖?，三星將在未來(lái)移動(dòng)平臺(tái)上持續(xù)推進(jìn)AP封裝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)性能、熱穩(wěn)定性與空間效率的協(xié)同提升。

1)環(huán)氧模封材料(EMC)：用于半導(dǎo)體封裝中封裝芯片的模塑材料。

2)介電層(DielectricLayer)：封裝基板中用于電路互連之間的絕緣層。

3)芯片貼裝膜(DAF，DieAttachFilm)：用于將硅片粘接到基板上的薄膜型粘合劑。