具有内部金属结构的3D NAND一级封装内部热流路径的建模与优化

《IEEE Transactions on Electron Devices》：Modeling and Improvement of Heat-Flow Paths Inside 3D-nand First-Level Packages With Internal Metal Structures

NAND闪存SSD因高速接口和紧凑封装面临热管理挑战，本研究构建三级封装热模型，通过实验与FEM仿真验证，揭示热流路径以环氧树脂和PCB焊点为瓶颈，提出四种嵌入式金属设计，使热点温度从80°C降至70°C，效率提升12.5%。

　　

摘要：

随着接口速度的提高和外形尺寸的缩小，NAND闪存固态硬盘（SSD）的性能已接近其热极限。本研究建立了一个精确的散热模型，该模型结合了实验数据、有限元方法（FEM）仿真以及简化的网络模型，用于指导一级封装（FLP）的设计。研究人员构建了一个商用NAND模块的详细三维模型，并通过光纤热传感器和红外（IR）成像技术对实际封装进行了验证，结果发现该模块的饱和温度约为80℃。经过校准的模型揭示了两种主要的热流路径：一是热量通过环氧树脂封装材料（EMC）向上散发；二是热量通过焊点向下传递至印刷电路板（PCB）。其中，EMC和PCB被认为是散热的主要瓶颈。为了解决这些散热问题，研究人员提出了四种不同的金属嵌入设计方案。与80℃的基准温度相比，采用不同金属结构后，热点温度分别降低了77.0℃、75.4℃、75.7℃和70.0℃，实现了高达12.5%的散热效果。实验结果表明，热垫主要改善了模块顶部的散热效果，而散热器则实现了上下方向的均匀热分布，从而提升了整体的散热性能。