Како решити термичке проблеме паковања чипова

  Логички чипови стварају топлоту, а што је логика гушћа и што је већа искоришћеност елемената за обраду, то је већа топлота. ...
Инжењери траже начине да ефикасно одводе топлоту из сложених модула.

Постављање више чипова један поред другог у истом пакету може ублажити термичке проблеме, али како компаније све више задубљују у слагање чипова и гушће паковање како би повећале перформансе и смањиле снагу, боре се са новим скупом проблема везаних за топлоту.

Напредни чипови за паковање не могу само да задовоље потребе рачунарства високих перформанси, вештачке интелигенције, раста густине снаге, итд., већ су и проблеми одвођења топлоте код напредног паковања постали сложени. Зато што ће вруће тачке на једном чипу утицати на дистрибуцију топлоте суседних чипова. Брзина интерконекције између чипова је такође спорија у модулима него у СоЦ-овима.

„Пре него што је свет ушао у ствари као што су вишејезгарни, имали сте посла са чипом који је имао максималну снагу од око 150 вати по квадратном центиметру, који је био извор топлоте у једној тачки“, рекао је Џон Пари, шеф електронике и полупроводника у компанији Сиеменс Дигитал Индустриес Софтваре. Можете расипати топлоту у сва три правца, тако да можете постићи прилично велике густине снаге. Али када имате чип и ставите други чип поред њега, а затим ставите други чип поред њега, они се „греју један другог. То значи да не можете толерисати исти ниво снаге за сваки чип, што чини термални изазов много тежи“.

Ово је један од главних разлога за спор напредак 3Д-ИЦ слагања на тржишту. Иако концепт има смисла из перспективе енергетске ефикасности и интеграције – и добро функционише у 3Д НАНД и ХБМ – друга је прича када се укључи логика. Логички чипови генеришу топлоту, а што је логика гушћа и што је већа употреба елемената за обраду, то је већа топлота. Ово чини логичко слагање ретким, што објашњава популарност 2.5Д флип-цхип БГА и дизајна са вентилатором

 

 

01 Изаберите прави пакет

За дизајнере чипова, постоји много опција паковања. Али перформансе интеграције чипова су кључне. Компоненте као што су силицијум, ТСВ, бакарни стубови итд. имају различите термичке коефицијенте експанзије (ТЦЕ), што утиче на принос монтаже и дугорочну поузданост.

Ако отварате и затварате на вишој фреквенцији, можете наићи на проблеме са термалним циклусом. Штампана плоча, куглице за лемљење и силицијум се шире и скупљају различитим брзинама. Због тога је нормално да се у угловима паковања виде кварови у термичком циклусу, где куглице за лемљење могу да пукну. Дакле, може се ставити додатна жица за уземљење или додатно напајање.

Тренутно популарни флип-цхип БГА пакет са ЦПУ-ом и ХБМ-ом има површину од око 2500 квадратних милиметара. „Видимо да један велики чип потенцијално може да постане четири или пет малих чипова“, рекао је Мајк Мекинтајер, директор управљања софтверским производима у Онто Инноватион. „Дакле, морате имати више И/О да бисте омогућили тим чиповима да разговарају једни са другима. Тако да можете да доделите топлоту.

На крају крајева, хлађење је проблем који се може решити на нивоу система и долази са низом компромиса.

У ствари, неки уређаји су толико сложени да је тешко лако заменити компоненте како би се ти уређаји прилагодили одређеној области примене. Због тога се многи напредни производи за паковање користе за компоненте веома великог обима или ценовно еластичне, као што су серверски чипови.

02 Напредак у симулацији и тестирању чип модула

Без обзира на то, инжењери траже нове начине за спровођење термичке анализе поузданости паковања пре него што се упаковани модули производе. На пример, Сиеменс пружа пример модула заснованог на дуал-АСИЦ-у који монтира слој за прерасподелу (РДЛ) на вишеслојну органску подлогу у БГА пакету. Користи два модела, један за ВЛП заснован на РДЛ, а други за БГА на вишеслојним органским подлогама. Ови модели пакета су параметарски, укључујући сноп слојева супстрата и БГА пре него што се уведу ЕДА информације, и омогућавају рану процену материјала и избор постављања матрице. Затим су увезени ЕДА подаци и, за сваки модел, мапе материјала дале су детаљан термички опис расподеле бакра у свим слојевима. Коначна симулација одвођења топлоте (види слику 2) разматрала је све материјале осим металне капице, ТИМ-а и материјала за недовољно пуњење.

 

  Директор техничког маркетинга ЈЦЕТ-а Ериц Оуианг придружио се ЈЦЕТ и Мета инжењерима да упореде термичке перформансе монолитних чипова, модула са више чипова, 2.5Д интерпосера и 3Д наслаганих чипова са једним АСИЦ-ом и два СРАМ-а. Процес поређења одржава окружење сервера, хладњак са вакуумском комором и ТИМ константним. Што се тиче топлоте, 2.5Д и МЦМ раде боље од 3Д или монолитних чипова. Оуианг и колеге из ЈЦЕТ-а дизајнирали су матрицу отпорника и дијаграм омотача снаге (види слику 3) који се може користити у раном дизајну модула за одређивање нивоа улазне снаге различитих чипова и постављених спојева пре дуготрајних термичких симулација. Да ли се температура може поуздано комбиновати. Као што је приказано на слици, безбедна зона наглашава опсег снаге на сваком чипу који испуњава стандарде поузданости.

Оуианг је објаснио да током процеса пројектовања, дизајнери кола могу имати идеју о нивоима снаге различитих чипова смештених у модулу, али можда не знају да ли су ти нивои снаге у границама поузданости. Овај дијаграм одређује безбедну област напајања за до три чипа у модулу чиплета. Тим је развио аутоматски калкулатор снаге за више чипова.

 

03 Квантификујте термичку отпорност

Можемо разумети како се топлота проводи кроз силицијумски чип, штампану плочу, лепак, ТИМ или поклопац паковања и користимо стандардне методе температурне разлике и функције снаге да бисмо пратили вредности температуре и отпора.

„Термички пут је квантификован са три кључне вредности – топлотном отпорношћу од споја уређаја до околине, топлотном отпорношћу од споја до кућишта [на врху паковања] и топлотном отпорношћу од споја до средине штампана плоча", рекао је Оуианг из ЈЦЕТ-а. топлотни отпор. Он је приметио да, у најмању руку, ЈЦЕТ-ови купци захтевају θја, θјц и θјб, које затим користе у дизајну система. Они могу захтевати да дата топлотна отпорност не прелази одређену вредност и захтевају да дизајн паковања обезбеди те перформансе. (Погледајте ЈЕДЕЦ-ов ЈЕСД51-12, Смернице за извештавање и коришћење термалних информација о пакету за детаље).

 

  Термичка симулација је најекономичнији начин да се истражи избор и подударање материјала. Симулацијом чипа у радном стању обично налазимо једну или више врућих тачака, тако да можемо додати бакар основном материјалу испод врућих тачака да бисмо олакшали расипање топлоте; или промените материјал за паковање и додајте хладњак. Интегратор система може одредити да топлотни отпори θја, θјц и θјб не смеју да пређу одређене вредности. Нормално, температура силицијумског споја треба да буде испод 125 степени.

Након што је симулација завршена, фабрика паковања спроводи дизајн експеримената (ДОЕ) да би дошла до коначног решења за паковање.

04 Изаберите ТИМ

У паковању, више од 90% топлоте се распршује кроз пакет од врха чипа до хладњака, обично вертикалних ребара од анодизираног алуминијума. Термички интерфејс материјал (ТИМ) са високом топлотном проводљивошћу постављен је између чипа и пакета како би помогао у преносу топлоте. ТИМ-ови следеће генерације за ЦПУ укључују легуре лима као што су индијум и калај, као и сребром синтеровани калај, са проводљивостима од 60В/мК односно 50В/мК.

Како произвођачи прелазе СоЦ на процесе чиплета, потребно је више ТИМ-ова са различитим својствима и дебљинама.

ИоунгДо Квеон, виши директор истраживања и развоја у Амкору, рекао је да за системе високе густине, топлотна отпорност ТИМ-а између чипа и пакета има већи утицај на укупну топлотну отпорност упакованог модула. Трендови снаге се драматично повећавају, посебно за логику, тако да се фокусирамо на одржавање ниске температуре споја како бисмо осигурали поуздан рад полупроводника. Иако добављачи ТИМ-а обезбеђују вредности топлотне отпорности за своје материјале, у стварности, на термичку отпорност од чипа до паковања (θјц) утиче сам процес склапања, укључујући квалитет везивања и контактну површину између чипа и ТИМ-а. Он је приметио да је тестирање стварним алатима за монтажу и материјалима за везивање у контролисаном окружењу кључно за разумевање стварних термичких перформанси и одабир најбољег ТИМ-а за квалификацију купаца.

Посебан проблем су празнине. Сименсов Парри је рекао: „Употреба материјала у амбалажи је велики изазов. Већ знамо да ће својства материјала лепка или лепка и начин на који материјал влажи површину утицати на укупну топлотну отпорност коју материјал представља, односно контактни отпор много зависи од тога како материјал тече у површину без стварања недостатака који стварају додатни отпор топлотном току.

 

05 Решавање проблема топлоте другачије

Произвођачи чипова траже начине да реше проблем дисипације топлоте. Ренди Вајт, менаџер програма за меморијска решења у компанији Кеисигхт Тецхнологиес, ​​рекао је: „Метод паковања остаје исти, ако смањите величину чипа за четвртину, он ће се убрзати. Можда постоје неке разлике у интегритету сигнала. Због спољних кључева пакета Везна жица иде у чип, а што је дужа, то је већа индуктивност, тако да постоји део електричних перформанси. Дакле, како расипати толико енергије у довољно малом простору ."

Ово је довело до значајних улагања у најсавременија истраживања везања, која се наизглед фокусирају на хибридно везивање. Али хибридно повезивање је скупо и остаје ограничено на апликације процесорског типа високих перформанси, при чему је ТСМЦ тренутно једна од јединих компанија које нуде ову технологију. Међутим, изгледи за комбиновање фотона на ЦМОС чиповима или галијум нитрида на силицијуму су обећавајући.

06 Закључак

Почетна идеја за напредно паковање је да ће функционисати као Лего коцке - чипови развијени у различитим процесним чворовима могу се саставити заједно и проблеми са топлотом бити ублажени. Али ово има своју цену. Из перспективе перформанси и снаге, удаљеност коју сигнал треба да пређе је важна, а кола која су увек укључена или морају да остану делимично отворена, могу утицати на термичке перформансе. Подела чипа на више делова ради повећања приноса и флексибилности није тако једноставно као што се чини. Свака интерконекција у пакету мора бити оптимизована, а вруће тачке више нису ограничене на један чип.

Рани алати за моделирање могли би се користити за искључивање различитих комбинација чипова, дајући дизајнерима сложених модула велики подстицај. У овој ери све веће густине снаге, термална симулација и увођење нових ТИМ-ова ће остати од суштинског значаја.