在摩尔定律逐步放缓与系统复杂度不断攀升的背景下，先进封装技术正成为推动半导体性能延续的关键路径。特别是 Fan-Out、2.5D 与 3D 堆叠等集成架构的快速演进，不仅显著提升了芯片间互连密度与系统带宽，还催生了背面供电网络（Backside Power Delivery Network, BSPDN）等新型电源架构。这些变革共同推动对硅基底的减薄甚至去除，从而在提升电气性能的同时，带来热扩散能力下降、局部自热增强等一系列热工程挑战。
在这一趋势下，热管理已从后端验证职能转变为影响芯片可靠性与系统性能的关键前置设计环节。如何准确评估减薄硅对热扩散的影响？如何实现 SoC 级别的高分辨率功率分布建模？如何构建跨越器件至系统层级的多尺度热仿真体系？这些问题正成为先进封装架构下工程实现的瓶颈所在。
本文基于 imec 在 2024 年 IEEE ECTC Heterogeneous Integration Roadmap（HIR）所发表的《Challenges and Innovations in Thermal Engineering: From Fan-Out to 2.5D and 3D Stacking》报告内容展开分析，系统梳理了 BSPDN 架构、TSV 缩放与硅片减薄趋势下的热扩散机制变化，深入讨论了热建模中功率图谱颗粒度要求、多尺度仿真技术实践路径，并提出未来在模型体系、实验验证与工具集成等方面的研究方向。旨在为先进封装环境下的热工程优化提供参考依据与方法框架。
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以下是对报告内容的梳理总结——————————————
一、先进封装趋势与热工程挑战演进
随着系统性能与带宽需求不断提升，半导体封装技术正迅速演进至更高集成度的架构，其中尤以 Fan-Out、2.5D 和 3D 封装为代表。特别是在 3D 集成方面，堆叠裸片所带来的封装紧凑性显著提高了芯片的面积效率和信号传输速率，同时也催生了包括背面供电（Backside Power Delivery Network, BSPDN）与高密度互连等关键技术方向。
这类技术路线均依赖于硅基底的减薄乃至部分去除，以缩短互连路径、减少延迟并增强电源完整性。例如，在 BSPDN 架构中，通过将传统位于正面的 BEOL 信号互连迁移至硅片背面，不仅可释放正面布线资源、减少布线拥堵，还能通过超细线宽结构直接将电源传输至标准单元，实现供电电阻高达 10 倍的降低，最终显著提升整体系统性能。
但这类结构上的突破，也在热工程方面提出了前所未有的挑战。一方面，硅片减薄或去除使得芯片结构对局部功率密度变化更加敏感；另一方面，高带宽、高密度的互连层叠进一步加剧了芯片内部的热堆积效应。传统以散热片、热界面材料（TIM）为主的热管理策略在这种新结构中已难以应对。
更为严峻的是，未来如 CMOS 2.0 等工艺节点更迭，将进一步放大器件级的自热问题，要求热模型必须具备更高精度与分辨能力，以支持复杂封装形态下的可靠性评估与设计验证。
因此，可以预见的是，先进封装架构的演进已不再是单一电气或结构优化问题，而必须引入完整的热设计视角与跨尺度热管理策略，才能在性能与可靠性之间取得平衡。
二、背面供电网络与 TSV 缩放对热管理的影响
在传统封装结构中，电源网络通常布设在芯片前端的金属互连层（BEOL），这一方式在面对大规模 SoC 时容易造成布线拥堵、供电路径冗长和电阻较高的问题。为突破这一瓶颈，先进封装架构引入了背面供电网络（Backside Power Delivery Network, BSPDN）概念，其核心在于通过将电源传输路径转移至硅片背面，从而优化电源完整性与布局资源。
BSPDN 的典型构成包括在超薄硅基底上沉积金属供电层，并通过纳米级通孔（nTSV，直径约 100nm）与正面标准单元连接。这一结构带来了三项关键优势：其一，释放正面 BEOL 层用于信号布线，有效缓解布线拥堵问题；其二，提升芯片面积利用率，尤其在高核密度 SoC 中效果显著；其三，电源路径显著缩短，供电电阻从封装到晶体管大幅下降，可达传统结构的 1/10，从而提升系统能效与动态性能。
然而，这一电源结构的革新，也对热管理系统提出了更高要求。首先，供电网络从正面迁移至背面意味着热量产生区域与散热路径更加复杂，传统正面散热路径被打破。其次，超薄硅层下结构的热阻增加，导致芯片底部的热扩散路径变窄，散热效率降低。此外，由于功率集中在正面而硅层变薄，局部温升加剧，极易形成热热点，对封装稳定性与器件寿命构成挑战。
与 BSPDN 并行推进的还有 TSV（Through-Silicon Via）技术的不断缩放。在 3D 封装中，TSV 是实现垂直互连的核心手段，其缩小直径有助于提升互连密度，但也引入更高的长宽比（Aspect Ratio），对制造工艺与热导能力均提出严苛要求（来源：第6页）。尤其是在“Via-last”或“Via-middle”工艺流程中，TSV 的结构越细长，其在热通道中的作用越受限，导致热传导路径效率降低，进一步加剧堆叠结构中的热聚集问题。
因此，无论是 BSPDN 还是高密度 TSV，它们作为提升系统电气性能的关键路径，其背后都隐藏着复杂的热工程挑战。未来在实际产品设计中，必须将这些物理结构的热特性与功率分布、散热路径共同纳入综合考量，方可实现系统的性能与可靠性的同步优化。
三、硅片减薄导致的热扩散问题
随着 3D 封装与背面供电架构的推进，硅片减薄已成为提升封装性能的关键工艺手段。无论是为了缩短互连路径、提升带宽，还是为了布局背面金属层以支持 BSPDN，硅基底的厚度正被持续压缩至远低于传统水平，甚至趋近完全去除。
然而，这一趋势对芯片热管理构成显著影响。传统较厚的硅基底在芯片运行过程中能够提供有效的横向热扩散能力，有助于平衡功率密度差异、缓解局部热点问题。相比之下，减薄后的硅层热扩散路径缩短，导热横向能力明显下降，造成所谓“热扩散收窄”（thermal spreading constriction）效应。
从热阻曲线来看，随着硅厚度从 500µm 缩减至 50µm，其热阻可增加数倍，尤其在外部冷却条件受限时更为明显。具体而言，热点尺寸越小，受减薄影响越大。模拟结果显示，在小型热源下，自热效应可提升至原始结构的 3 倍以上。这意味着，在高密度 SoC 中若存在局部核心模块发热（如 AI 核、GPU 单元），其表面温度将更难以控制。
此外，这种热扩散能力的下降并非均匀作用于整块芯片，而是高度依赖于功率分布格局与封装冷却路径。若功率密集区域未能正对有效散热结构（如冷板、TIM），其自热问题将被进一步放大。因此，封装设计需结合热点位置与冷却路径布局协同优化，否则减薄带来的电气效益将被热瓶颈所抵消。
综上，硅片减薄在推动封装性能跃升的同时，也极大弱化了芯片的自适应散热能力。在系统设计中，必须权衡电性优势与热扩散损失，避免在提升互连效率的同时牺牲系统热可靠性。
四、热分析中的功率分布颗粒度要求
在传统热分析流程中，芯片功率分布（powermap）通常采用区域平均或模块级粗粒度方式处理，以降低计算复杂度。但在超薄硅甚至无硅基底结构日益普及的背景下，这种低分辨率建模方法已难以支撑热工程需求。
以某 80 核 SoC 为例，其内部存在大量结构复杂、功率密度不均的核心单元。在硅片减薄或采用 BSPDN 架构时，热扩散路径大幅收窄，局部热点对系统热表现的影响急剧上升。此时，如果 powermap 分辨率不足，将无法准确捕捉这些热点行为，从而导致热建模结果低估峰值温度与梯度分布。
此外，低分辨率功率图在多尺度建模中也会引发传导误差。特别是在芯片级与封装级联动仿真时，若芯片功率输入缺乏空间细节，封装层级模型将难以还原热路径真实行为，导致冷却方案设计偏离实际需求。
但现实中，要实现全芯片级高分辨率 powermap 分析，也面临计算资源瓶颈。对于大规模 SoC 而言，单纯依赖细网格仿真将导致仿真时间与资源消耗呈指数级上升，不具备工程可行性。
因此，行业开始转向多尺度功率建模策略，即在芯片全局模型中仅保持模块级分辨率，而在热点敏感区域嵌入局部高精度子模型。这类“局部精细—全局粗略”融合策略，有望在控制仿真成本的同时提升整体热建模精度，为系统级冷却设计与热保护策略提供更具工程实用性的依据。
可以说，powermap 的空间颗粒度正成为先进封装热建模中一项基础性要求，它不仅决定建模精度，也直接影响工程实践中的热设计决策。
五、多尺度热分析方法探索与案例
随着封装复杂度和功率密度持续上升，单一尺度的热分析已难以胜任对系统热行为的全面评估。热传导路径从纳米级器件直至系统级冷却结构，涵盖了多个数量级的时间与空间尺度，因此，多尺度热分析方法已成为先进封装热工程的核心手段。
在空间维度上，热能从晶体管级热点（数十纳米）通过 BEOL 金属、TSV 通孔，传导至封装和冷却系统（数厘米），在此过程中传热机制也从准弹道行为逐渐转向宏观稳态传导。相应地，不同尺度下需采用不同建模方法：器件级需考虑量子或粒子模拟（如蒙特卡洛 BTE 方法），芯片级可使用有限元方法（FEM），系统级则可引入 CFD 工具处理对流与冷却液行为。
在时间维度上，从亚纳秒的自热响应到秒级的稳态冷却过程，每个阶段热行为的主导机制亦有不同。例如，纳秒级行为主要体现局部热点建立，微秒级则涉及热在芯片内部扩散，毫秒级以后则需关注封装整体散热效率。
报告中提出了两类典型多尺度建模策略实例：
- 案例一：全局-局部子建模法（Sub-modeling）
该方法在芯片封装整体模型中应用有效热参数简化处理 BEOL、FEOL、BSPDN 等细节结构，并在关键区域引入高分辨率子模型以刻画实际功率分布与热行为。实验证明，在保持较低仿真资源消耗的同时，模型输出温度与真实测量具备良好一致性。
- 案例二：局部热点导热建模
在细分模块或单元层级，使用局部加权热导率模型对不同结构层进行参数化处理，提升对热点演化的捕捉能力。例如，报告中展示了在 SoC 层面观察平均温度分布，同时聚焦单个核心单元以识别局部温升突变。
尽管上述方法在建模精度与效率间取得初步平衡，但仍面临一系列挑战。例如，如何定义子模型边界条件、如何从器件级提取有效热参数、以及如何在不同工具间高效传递功率与温度信息，仍需进一步研究优化。
综上，多尺度热分析不仅是一项建模技术问题，更是现代封装系统热设计中不可或缺的系统工程方法，其完善程度将直接影响未来高性能芯片的热可靠性评估水平。
六、未来展望与研究建议
先进封装技术的发展，尤其是 BSPDN 架构与 3D 堆叠的广泛应用，正在从根本上重塑芯片的供电方式、结构布局以及散热路径。热工程已从配套环节转变为影响系统性能和可靠性核心指标的关键设计维度。
回顾前文分析，当前热挑战集中体现在以下三个维度：
- 结构层面：Si 减薄和背面金属层的引入显著提高了热阻，削弱横向扩散能力；
- 功率分布层面：高密度集成导致热点更加集中，低分辨率 powermap 难以捕捉真实热行为；
- 建模方法层面：单一尺度仿真工具无法同时覆盖器件至系统的热路径，需要多尺度建模支持。
因此，报告指出，未来封装热工程的研究与技术演进需聚焦以下三项核心建议：
一、构建高效的多尺度热分析体系
当前已有如 sub-modeling 和热点导热层建模等初步方法，但在模型耦合、边界条件统一、计算资源控制等方面仍存在较大优化空间。未来需形成标准化、模块化的多尺度建模流程，并推动商业工具链与仿真平台的集成支持。
二、提升 powermap 的分辨率与可用性
热建模的准确性高度依赖于输入功率分布质量。需发展面向设计阶段的 powermap 自动生成工具，并与 RTL/PD 工程流程紧密集成。此外，应推动关键模块级功率测试数据的获取与建模接口标准制定，以形成量产设计中可用的热仿真输入基础。
三、推动热建模实验验证机制建设
模型再精确，若无实验支撑，则难以获得工程认可。报告强调了器件层自热行为的测量必要性，以及系统级温度演化路径的实验验证方法，建议建立标准芯片热测试平台，结合红外测温、微探针等手段，实现对热模型的全面验证闭环。
面向 CMOS 2.0、Chiplet 与 3DIC 架构，热工程的重要性将进一步提升。封装热管理不再是被动适配设计，而应在系统架构阶段即与电源、互连、结构等多领域协同规划。唯有如此，才能在先进封装架构中实现“性能、功耗、热度”三者的动态均衡，保障系统稳定性与竞争力。