Çip paketi ısı dağılımı sorunu nasıl çözülür?

Gelişmiş paketleme çipleri yalnızca yüksek performanslı bilgi işlem, yapay zeka, güç yoğunluğu artışı vb. ihtiyaçlarını karşılamakla kalmıyor, aynı zamanda gelişmiş paketlemenin ısı dağılımı sorunu da karmaşık hale geliyor. Çünkü bir çip üzerindeki sıcak noktalar komşu çiplerin ısı dağılımını etkiliyor. Çipler arasındaki bağlantılar da modüllerde SoC'lere göre daha yavaştır.

Siemens Digital Industry Software'in elektronik ve yarı iletkenlerden sorumlu sektör başkanı John Parry şunları söyledi: "Dünya çok çekirdekli alanlara geçmeden önce, santimetre kare başına yaklaşık 150 watt maksimum güce sahip bir çiple uğraşıyordunuz. tek noktalı bir ısı kaynağı. Isıyı her üç yöne de dağıtabilirsiniz, böylece oldukça yüksek güç yoğunlukları elde edebilirsiniz. Ancak bir çipiniz olduğunda, yanına başka bir çip koyun ve yanına başka bir çip koyun, ısınırlar. Bu da her çipin aynı güç seviyesine sahip olmasına tahammül edemeyeceğiniz anlamına geliyor, bu da termal zorlukları çok daha zorlaştırıyor."

Bu, 3D-IC istiflemenin piyasada yavaş ilerleme kaydetmesinin ana nedenlerinden biridir. Konsept, güç verimliliği ve entegrasyon açısından anlamlı olsa da ve 3D NAND ve HBM'de iyi çalışsa da, mantık dahil edildiğinde farklı bir hikaye ortaya çıkıyor. Mantık çipi ısı üretir ve mantık ne kadar yoğunsa, işleme elemanlarının kullanımı o kadar yüksek olur ve ısı da o kadar büyük olur. Bu, mantıksal istiflemeyi nadir hale getirir.

Doğru paketi seçin

Çip tasarımcıları için paketlemenin birçok yolu vardır. Ancak çip entegrasyonunun performansı çok önemlidir. Silikon, TSV ve bakır kolonlar gibi bileşenlerin tümü, montaj verimini ve uzun vadeli güvenilirliği etkileyen farklı termal genleşme katsayısına (TCE) sahiptir.

Mevcut popüler CPU ve HBM'li flip BGA paketi yaklaşık 2500 milimetrekarelik bir alana sahiptir. Onto Innovation'ın yazılım ürün yönetimi başkanı Mike McIntyre şunları söyledi: "Büyük bir çipin potansiyel olarak dört veya beş küçük çipe dönüşebileceğini görüyoruz. Dolayısıyla bu çiplerin birbirleriyle konuşabilmesi için daha fazla G/Ç'ye sahip olmanız gerekiyor. Böylece ısıyı dağıtabilirsiniz. Sonuçta, ısı dağıtımı yalnızca sistem düzeyinde çözülebilecek bir sorundur ve bir dizi ödünleşimi beraberinde getirir.

Aslında bazı cihazlar o kadar karmaşıktır ki, bu cihazları belirli alanlardaki uygulamalara göre özelleştirmek amacıyla bileşenlerini kolayca değiştirmek zordur. Bu nedenle birçok gelişmiş paketleme ürünü, sunucu çipleri gibi çok yüksek hacimli veya fiyat açısından esnek bileşenlere yöneliktir.

Çip modülü simülasyonu ve testinde ilerleme

Bununla birlikte mühendisler, paketlenmiş modüller üretilmeden önce paket güvenilirliğinin termal analizini gerçekleştirmenin yeni yollarını arıyorlar. Örneğin Siemens, bir BGA paketindeki çok katmanlı bir organik alt tabaka üzerine bir yayılma yeniden dağıtım katmanı (RDL) kuran ikili ASIC tabanlı bir modül örneğini sunuyor. Biri RDL tabanlı WLP ve diğeri çok katmanlı organik substrat BGA için olmak üzere iki model kullanır. Bu paketleme modelleri parametrelendirilmiştir, EDA bilgisi verilmeden önce alt tabaka istiflemeyi ve BGA'yı içerir ve erken malzeme değerlendirmesi ve çip yerleştirme seçimine olanak tanır. Daha sonra EDA verileri içe aktarılır ve her model için malzeme haritası, tüm katmanlardaki bakır dağılımının ayrıntılı bir termal tanımını sağlayabilir.

JCET Teknik Pazarlama Direktörü Eric Ouyang, JCET ve Meta mühendisleriyle birlikte tek çipli, çoklu çipli modüllerin, 2.5D santrallerin ve 3D yığılmış çiplerin termal performansını bir ASIC ve iki Sram ile karşılaştırdı. [1] Apple-Apple karşılaştırması sunucu ortamını, vakum hazneli radyatörü ve TIM'i değiştirmeden bırakıyor. Isı açısından 2,5D ve MCM, 3D veya tek çipli çiplerden daha iyi performans gösteriyor.

Nicelenmiş termal direnç

Sıcaklık ve direnç değerlerini izlemek için standart sıcaklık farkı ve güç fonksiyonu yöntemini kullanırken, silikon çipler, devre kartları, yapıştırıcılar, TIM'ler veya ambalaj kapakları aracılığıyla ısının nasıl iletildiğini anlayabiliriz.

"Termal yol üç temel değerle ölçülür: cihaz düğümünden çevreye olan termal direnç, düğümden muhafazaya [paketin üst kısmındaki] termal direnç ve düğümden karta termal direnç " diyor JCET'ten Ouyang. En azından, JCET müşterilerinin daha sonra sistem tasarımında kullanacakları ɵja, ɵjc ve ɵjb'ye ihtiyaçları olduğuna dikkat çekiyor. Belirli bir termal direncin belirli bir değeri aşmamasını ve paket tasarımının bu performansı sağlamasını gerektirebilirler.

Termal simülasyon, malzemelerin seçimini ve sıralamasını keşfetmenin en ekonomik yoludur. Çipin çalışma durumunda simülasyonu yoluyla, genellikle bir veya daha fazla sıcak nokta buluruz, böylece ısı dağılımını kolaylaştırmak için sıcak noktanın altındaki alt tabakaya bakır ekleyebiliriz; Veya ambalaj malzemesini değiştirin, radyatörü artırın. Sistem entegratörü, ɵja, ɵjc ve ɵjb termal direncinin belirli değerleri aşmaması gerektiğini belirtebilir. Normal şartlar altında silikon bağlantı sıcaklığı 125 °C'nin altında tutulmalıdır. Simülasyon tamamlandıktan sonra paketleme tesisi nihai paket planına ulaşmak için bir deney tasarımı (DOE) gerçekleştirir.

TIM'i seçin

Pakette, ısının %90'ından fazlası paket boyunca çipin üst kısmından genellikle anodize alüminyum bazlı dikey bir kanatçık olan radyatöre doğru dağıtılır. Isı transferine yardımcı olmak için çip ile paket arasına yüksek termal iletkenliğe sahip termal arayüz malzemeleri (TIM) yerleştirilir. CPU'lar için yeni nesil TIM, sırasıyla 60W/mK ve 50W/mK iletkenliğe sahip indiyum ve kalay gibi metal levha alaşımlarının yanı sıra gümüş sinterlenmiş kalay içerir. Satıcılar SoC'leri chiplet süreçlerine geçirdikçe, farklı özelliklere ve kalınlıklara sahip daha fazla TIM'e ihtiyaç duyuluyor.

Amkor'un araştırma ve geliştirmeden sorumlu kıdemli direktörü YoungDo Kweon, yüksek yoğunluklu sistemler için TIM'in çip ile paket arasındaki termal direncinin, paketlenmiş modülün genel termal direnci üzerinde daha büyük bir etkiye sahip olduğunu söyledi. Güç eğilimleri, özellikle mantık açısından önemli ölçüde artıyor; bu nedenle, güvenilir yarı iletken çalışmayı sağlamak için bağlantı sıcaklığını düşük tutmaya odaklanıyoruz. TIM tedarikçileri malzemeleri için termal direnç değerleri sağlarken gerçekte çipten pakete kadar olan termal direnç (ɵjc), çip ile TIM arasındaki bağlantı kalitesi ve temas alanı da dahil olmak üzere montaj sürecinin kendisinden etkilenir. Kontrollü bir ortamda gerçek montaj araçları ve yapıştırma malzemeleriyle test yapılmasının, gerçek termal özellikleri anlamak ve müşteri doğrulaması için en iyi TIM'yi seçmek açısından kritik öneme sahip olduğunu belirtiyor.

Isı ile farklı şekillerde baş etmek

Çip üreticileri ısı dağılımı sorununu çözmenin yollarını arıyor. Keysight Technologies bellek çözümleri program yöneticisi Randy White şunları söyledi: "Paket aynı, çip boyutu alanını dörtte bir oranında azaltırsanız hızlanacaktır. Bu da bazı sinyal bütünlüğü farklılıklarına neden olabilir. Çünkü bağlantı hattı Harici paketin çipe girmesi, hat ne kadar uzunsa, endüktans da o kadar büyük olur, yani elektriksel performans kısmı vardır. Peki yeterince küçük bir alanda bu kadar enerjiyi nasıl tüketirsiniz? okudu." Bu, hibrit bağlanmaya odaklanıyor gibi görünen son teknoloji bağlanma araştırmalarına önemli yatırım yapılmasına yol açtı. Ancak hibrit birleştirmenin maliyeti yüksektir ve hala yüksek performanslı işlemci tipi uygulamalarla sınırlıdır; TSMC şu anda bu teknolojiyi sunan tek şirkettir. Ancak fotonların CMOS çipleri veya silikon bazlı galyum nitrür üzerinde birleştirilmesi ihtimali oldukça umut verici.

Fountyl Technologies PTE Ltd, yarı iletken imalat endüstrisine odaklanmaktadır; ana ürünler şunlardır: Pim aynası, gözenekli seramik ayna, seramik uç efektör, seramik kare kiriş, seramik mil, iletişim ve müzakereye hoş geldiniz！