Kā atrisināt skaidu iepakošanas termiskās problēmas

  Loģiskās mikroshēmas rada siltumu, un jo blīvāka ir loģika un augstāka apstrādes elementu izmantošana, jo lielāks ir siltums. ...
Inženieri meklē veidus, kā efektīvi izkliedēt siltumu no sarežģītiem moduļiem.

Vairāku mikroshēmu ievietošana blakus vienā un tajā pašā iepakojumā var mazināt termiskās problēmas, taču, uzņēmumiem iedziļinoties mikroshēmu sakraušanā un blīvākā iepakojumā, lai palielinātu veiktspēju un samazinātu jaudu, tie cīnās ar jaunām ar siltumu saistītām problēmām.

Uzlabotas iepakojuma mikroshēmas var apmierināt ne tikai augstas veiktspējas skaitļošanas, mākslīgā intelekta, jaudas blīvuma pieauguma utt. vajadzības, bet arī uzlabotā iepakojuma siltuma izkliedes problēmas ir kļuvušas sarežģītas. Tā kā karstie punkti uz vienas mikroshēmas ietekmēs blakus esošo mikroshēmu siltuma sadalījumu. Arī savstarpējā savienojuma ātrums starp mikroshēmām moduļos ir lēnāks nekā SoC.

"Pirms pasaule nonāca tādās lietās kā daudzkodolu, jums bija darīšana ar mikroshēmu, kuras maksimālā jauda bija aptuveni 150 vati uz kvadrātcentimetru, kas bija viena punkta siltuma avots," sacīja Džons Parijs, elektronikas un pusvadītāju nodaļas vadītājs. Siemens Digital Industries programmatūra. Jūs varat izkliedēt siltumu visos trīs virzienos, lai jūs varētu sasniegt diezgan augstu jaudas blīvumu. Bet, kad jums ir mikroshēma un tai blakus tiek ievietota cita mikroshēma, un tad blakus tiek ievietota cita mikroshēma, viņi "Viņi uzsilda viens otru. Tas nozīmē, ka jūs nevarat pieļaut vienādu jaudas līmeni katrai mikroshēmai, kas padara termisko mikroshēmu. izaicinājums ir daudz grūtāks."

Tas ir viens no galvenajiem iemesliem 3D-IC kraušanas lēnajai attīstībai tirgū. Lai gan koncepcijai ir jēga no energoefektivitātes un integrācijas perspektīvas un tā labi darbojas 3D NAND un HBM, tas ir cits stāsts, ja ir iekļauta loģika. Loģiskās mikroshēmas rada siltumu, un jo blīvāka ir loģika un jo augstāka ir apstrādes elementu izmantošana, jo lielāks ir siltums. Tas padara loģikas sakraušanu retu, kas izskaidro 2,5 D flip-chip BGA un ventilējamo dizainu popularitāti.

 

 

01 Izvēlieties pareizo iepakojumu

Mikroshēmu dizaineriem ir daudz iepakošanas iespēju. Bet mikroshēmu integrācijas veiktspēja ir ļoti svarīga. Tādām sastāvdaļām kā silīcijs, TSV, vara balsti utt. ir dažādi termiskie izplešanās koeficienti (TCE), kas ietekmē montāžas ražīgumu un ilgtermiņa uzticamību.

Ja atverat un aizverat biežāk, var rasties termiskās cikla problēmas. Iespiedshēmas plate, lodēšanas lodītes un silīcijs izplešas un saraujas dažādos ātrumos. Tāpēc ir normāli, ja iepakojuma stūros ir redzami termiskās cikla traucējumi, kur var saplaisāt lodēšanas lodītes. Tātad tur varētu ievietot papildu zemējuma vadu vai papildu barošanas avotu.

Pašlaik populārā flip-chip BGA pakotne ar CPU un HBM ir aptuveni 2500 kvadrātmilimetru platība. "Mēs redzam, ka viena liela mikroshēma var kļūt par četrām vai piecām mazām mikroshēmām," sacīja Maiks Makintairs, Onto Innovation programmatūras produktu pārvaldības direktors. "Tātad jums ir jābūt vairāk I/O, lai ļautu šīm mikroshēmām sarunāties savā starpā. Tātad jūs varat piešķirt siltumu.

Galu galā dzesēšana ir problēma, ko var risināt sistēmas līmenī, un tā ir saistīta ar virkni kompromisu.

Faktiski dažas ierīces ir tik sarežģītas, ka ir grūti viegli nomainīt komponentus, lai pielāgotu šīs ierīces noteiktai pielietojuma jomai. Tāpēc daudzi uzlaboti iepakojuma produkti tiek izmantoti ļoti liela apjoma vai cenas ziņā elastīgiem komponentiem, piemēram, serveru mikroshēmām.

02 Progress mikroshēmu moduļu simulācijā un testēšanā

Neskatoties uz to, inženieri meklē jaunus veidus, kā veikt paketes uzticamības termisko analīzi, pirms tiek ražoti iepakotie moduļi. Piemēram, Siemens sniedz piemēru divējāda ASIC modulim, kas uzmontē pārdales slāni (RDL) uz daudzslāņu organiskā substrāta BGA pakotnē. Tas izmanto divus modeļus, vienu uz RDL balstītam WLP un otru BGA uz daudzslāņu organiskiem substrātiem. Šie pakotņu modeļi ir parametriski, tostarp substrāta slāņa kaudze un BGA, pirms tiek ieviesta EDA informācija, un nodrošina agrīnu materiālu novērtēšanu un presformu izvietojuma izvēli. Pēc tam tika importēti EDA dati, un katram modelim materiālu kartes sniedza detalizētu termisko aprakstu par vara sadalījumu visos slāņos. Galīgajā siltuma izkliedes simulācijā (sk. 2. attēlu) tika ņemti vērā visi materiāli, izņemot metāla vāciņu, TIM un aizpildījuma materiālus.

 

  JCET tehniskā mārketinga direktors Ēriks Oujans pievienojās JCET un Meta inženieriem, lai salīdzinātu monolītu mikroshēmu, vairāku mikroshēmu moduļu, 2.5D interposeru un 3D stacked mikroshēmu ar vienu ASIC un divām SRAM siltuma veiktspēju. Salīdzināšanas process nodrošina nemainīgu servera vidi, siltuma izlietni ar vakuuma kameru un TIM. Siltuma ziņā 2,5D un MCM darbojas labāk nekā 3D vai monolītās mikroshēmas. Ouyang un kolēģi JCET izstrādāja rezistoru matricu un jaudas apvalka diagrammu (sk. 3. attēlu), ko var izmantot agrīnā moduļa projektēšanā, lai noteiktu dažādu mikroshēmu ieejas jaudas līmeņus un iestatītu savienojumus pirms laikietilpīgām termiskām simulācijām. Vai temperatūru var droši kombinēt. Kā parādīts attēlā, drošā zona izceļ katras mikroshēmas jaudas diapazonu, kas atbilst uzticamības standartiem.

Ouyang paskaidroja, ka projektēšanas procesā ķēžu dizaineriem var būt priekšstats par dažādu modulī ievietoto mikroshēmu jaudas līmeņiem, taču viņi var nezināt, vai šie jaudas līmeņi ir uzticamības robežās. Šī diagramma nosaka drošās jaudas apgabalu līdz trim mikroshēmām mikroshēmas modulī. Komanda ir izstrādājusi automātisku jaudas kalkulatoru vairāk mikroshēmu.

 

03 Nosakiet siltuma pretestību

Mēs varam saprast, kā siltums tiek vadīts caur silīcija mikroshēmu, shēmas plati, līmi, TIM vai iepakojuma vāku, un izmantot temperatūras starpības un jaudas funkcijas standarta metodes, lai izsekotu temperatūras un pretestības vērtībām.

"Siltuma ceļu kvantitatīvi nosaka trīs galvenās vērtības - termiskā pretestība no ierīces savienojuma uz vidi, termiskā pretestība no savienojuma līdz korpusam [pakojuma augšpusē] un termiskā pretestība no savienojuma līdz shēmas plate," sacīja JCET Ouyang. termiskā pretestība. Viņš atzīmēja, ka vismaz JCET klientiem ir nepieciešami θja, θjc un θjb, ko viņi pēc tam izmanto sistēmas projektēšanā. Tās var pieprasīt, lai noteiktā termiskā pretestība nepārsniegtu noteiktu vērtību, un prasīt, lai iepakojuma dizains nodrošinātu šādu veiktspēju. (Sīkāku informāciju skatiet JEDEC JESD51-12, Vadlīnijas ziņošanai un paketes termiskās informācijas izmantošanai).

 

  Termiskā simulācija ir visekonomiskākais veids, kā izpētīt materiālu izvēli un saskaņošanu. Simulējot mikroshēmu darba stāvoklī, mēs parasti atrodam vienu vai vairākus karstos punktus, tāpēc mēs varam pievienot varu pamatmateriālam zem karstajiem punktiem, lai atvieglotu siltuma izkliedi; vai nomainiet iepakojuma materiālu un pievienojiet siltuma izlietni. Sistēmas integrators var norādīt, ka termiskās pretestības θja, θjc un θjb nedrīkst pārsniegt noteiktas vērtības. Parasti silīcija savienojuma temperatūrai jābūt zem 125 grādiem.

Pēc simulācijas pabeigšanas iepakojuma rūpnīca veic eksperimentu projektu (DOE), lai nonāktu pie galīgā iepakojuma risinājuma.

04 Izvēlieties TIM

Iepakojumā vairāk nekā 90% siltuma caur iepakojumu tiek izkliedēti no mikroshēmas augšdaļas uz siltuma izlietni, parasti anodētām alumīnija bāzes vertikālajām spurām. Termiskās saskarnes materiāls (TIM) ar augstu siltumvadītspēju ir novietots starp mikroshēmu un iepakojumu, lai palīdzētu pārnest siltumu. Nākamās paaudzes TIM CPU ietver lokšņu metālu sakausējumus, piemēram, indiju un alvu, kā arī ar sudrabu saķepinātu alvu ar vadītspēju attiecīgi 60 W/mK un 50 W/mK.

Tā kā ražotāji pāriet SoC uz mikroshēmu procesiem, ir nepieciešams vairāk TIM ar dažādām īpašībām un biezumu.

Amkor pētniecības un attīstības vecākais direktors YoungDo Kweon teica, ka augsta blīvuma sistēmām TIM termiskā pretestība starp mikroshēmu un paketi vairāk ietekmē iepakotā moduļa kopējo termisko pretestību. Jaudas tendences dramatiski pieaug, īpaši loģikas jomā, tāpēc mēs koncentrējamies uz zemas savienojuma temperatūras uzturēšanu, lai nodrošinātu drošu pusvadītāju darbību. Lai gan TIM piegādātāji saviem materiāliem nodrošina termiskās pretestības vērtības, patiesībā termisko pretestību no mikroshēmas līdz iepakojumam (θjc) ietekmē pats montāžas process, tostarp savienojuma kvalitāte un kontakta laukums starp mikroshēmu un TIM. Viņš norādīja, ka testēšana ar faktiskajiem montāžas instrumentiem un līmēšanas materiāliem kontrolētā vidē ir ļoti svarīga, lai izprastu faktiskos termiskos rādītājus un izvēlētos labāko TIM klientu kvalifikācijai.

Nepilnības ir īpaša problēma. Siemens Parry teica: "Materiālu izmantošana iepakojumā ir liels izaicinājums. Mēs jau zinām, ka līmes vai līmes materiāla īpašības un veids, kā materiāls mitrina virsmu, ietekmēs materiāla kopējo siltuma pretestību, tas ir, kontakta pretestība daudz ir atkarīga no tā, kā materiāls ieplūst virsmā, neradot trūkumus, kas rada papildu pretestību siltuma plūsmai.

 

05 Siltuma problēmu risināšana savādāk

Skaidu ražotāji meklē veidus, kā atrisināt siltuma izkliedes problēmu. Rendijs Vaits, Keysight Technologies atmiņas risinājumu programmu vadītājs, sacīja: "Iesaiņošanas metode paliek nemainīga, ja samazināsiet mikroshēmas izmēru par ceturtdaļu, tas paātrinās. Var būt dažas signāla integritātes atšķirības. Ārējo pakotņu atslēgu dēļ Savienojuma vads nonāk mikroshēmā, un jo garāks ir vads, jo lielāka ir elektriskā veiktspēja. Tātad, kā izkliedēt tik daudz enerģijas pietiekami mazā telpā ”.

Tas ir veicinājis ievērojamus ieguldījumus visprogresīvākajos līmēšanas pētījumos, šķietami koncentrējoties uz hibrīdlīnijām. Taču hibrīda savienošana ir dārga un joprojām ir ierobežota ar augstas veiktspējas procesora tipa lietojumprogrammām, un TSMC pašlaik ir viens no vienīgajiem uzņēmumiem, kas piedāvā šo tehnoloģiju. Tomēr izredzes apvienot fotonus uz CMOS mikroshēmām vai gallija nitrīdu uz silīcija ir daudzsološas.

06 Secinājums

Sākotnējā uzlabotā iepakojuma ideja ir tāda, ka tas darbosies kā Lego klucīši - dažādos procesa mezglos izstrādātās mikroshēmas var tikt saliktas kopā un tiks atvieglotas termiskās problēmas. Bet tas maksā. No veiktspējas un jaudas viedokļa signālam jānovirza attālums ir svarīgs, un ķēdes, kas vienmēr ir ieslēgtas vai kurām ir jāpaliek daļēji atvērtām, var ietekmēt siltuma veiktspēju. Mikroshēmas sadalīšana vairākās daļās, lai palielinātu ražu un elastību, nav tik vienkārša, kā šķiet. Katrs pakotnes starpsavienojums ir jāoptimizē, un tīklāji vairs nav ierobežoti ar vienu mikroshēmu.

Agrīnus modelēšanas rīkus varētu izmantot, lai izslēgtu dažādas mikroshēmu kombinācijas, sniedzot sarežģītu moduļu dizaineriem lielu stimulu. Šajā arvien pieaugošā jaudas blīvuma laikmetā siltuma simulācija un jaunu TIM ieviešana joprojām būs būtiska.