Jak řešit tepelné problémy balení čipů

  Logické čipy generují teplo a čím hustší je logika a čím vyšší je využití procesních prvků, tím větší je teplo. ...
Inženýři hledají způsoby, jak efektivně odvádět teplo ze složitých modulů.

Umístění více čipů vedle sebe do stejného obalu může zmírnit tepelné problémy, ale jak se společnosti dále ponořují do stohování čipů a hustšího balení za účelem zvýšení výkonu a snížení spotřeby, potýkají se s novou sadou problémů souvisejících s teplem.

Pokročilé obalové čipy mohou nejen uspokojit potřeby vysoce výkonných výpočtů, umělé inteligence, růstu hustoty výkonu atd., ale problémy s odvodem tepla pokročilého balení se také staly komplexními. Protože horká místa na jednom čipu ovlivní rozložení tepla sousedních čipů. Rychlost propojení mezi čipy je také pomalejší v modulech než v SoC.

„Než se svět dostal do věcí, jako je vícejádrový, měli jste co do činění s čipem, který měl maximální výkon asi 150 wattů na centimetr čtvereční, což byl jednobodový zdroj tepla,“ řekl John Parry, vedoucí oddělení elektroniky a polovodičů. Software společnosti Siemens Digital Industries. Teplo můžete odvádět všemi třemi směry, takže můžete dosáhnout docela vysoké hustoty výkonu. Ale když máte čip a umístíte další čip vedle něj a pak vedle něj položíte další čip, "Vzájemně se zahřívají. To znamená, že nemůžete tolerovat stejnou úroveň výkonu pro každý čip, což způsobuje, že výzva mnohem těžší."

To je jeden z hlavních důvodů pomalého rozvoje 3D-IC stohování na trhu. I když tento koncept dává smysl z hlediska energetické účinnosti a integrace - a funguje dobře v 3D NAND a HBM - je to jiný příběh, pokud je zahrnuta logika. Logické čipy generují teplo a čím hustší je logika a čím vyšší je využití procesních prvků, tím větší je teplo. Díky tomu je logické stohování vzácné, což vysvětluje popularitu 2,5D flip-chip BGA a designu fan-out

 

 

01 Vyberte si správný balíček

Pro návrháře čipů existuje mnoho možností balení. Zásadní je ale výkon integrace čipu. Komponenty jako křemík, TSV, měděné sloupky atd. mají všechny různé tepelné koeficienty roztažnosti (TCE), což ovlivňuje výnos sestavy a dlouhodobou spolehlivost.

Pokud budete otevírat a zavírat při vyšší frekvenci, můžete narazit na problémy s tepelným cyklováním. Deska s plošnými spoji, pájecí kuličky a křemík se roztahují a smršťují různou rychlostí. Proto je normální vidět poruchy tepelného cyklování v rozích obalu, kde mohou kuličky pájky prasknout. Takže byste tam mohli dát další zemnící vodič nebo extra napájecí zdroj.

V současnosti populární flip-chip BGA pouzdro s CPU a HBM má plochu asi 2500 milimetrů čtverečních. "Vidíme, že z jednoho velkého čipu se mohou stát čtyři nebo pět malých čipů," řekl Mike McIntyre, ředitel správy softwarových produktů ve společnosti Onto Innovation. "Takže musíte mít více I/O, aby ty čipy mohly mezi sebou mluvit. Takže můžete alokovat teplo."

V konečném důsledku je chlazení problém, který lze řešit na úrovni systému, a přichází s řadou kompromisů.

Ve skutečnosti jsou některá zařízení tak složitá, že je obtížné snadno vyměnit součásti, aby bylo možné tato zařízení přizpůsobit pro konkrétní oblast použití. To je důvod, proč se mnoho pokročilých obalových produktů používá pro velmi velkoobjemové nebo cenově elastické komponenty, jako jsou serverové čipy.

02 Pokrok v simulaci a testování čipových modulů

Inženýři nicméně hledají nové způsoby, jak provést tepelnou analýzu spolehlivosti obalu před výrobou balených modulů. Například společnost Siemens poskytuje příklad modulu založeného na duálním ASIC, který na vícevrstvý organický substrát v pouzdře BGA montuje vrstvu pro redistribuci vějíře (RDL). Používá dva modely, jeden pro WLP na bázi RDL a druhý pro BGA na vícevrstvých organických substrátech. Tyto modely balíků jsou parametrické, včetně vrstvy substrátu a BGA před zavedením informací EDA, a umožňují včasné vyhodnocení materiálu a výběr umístění matrice. Dále byla importována data EDA a pro každý model poskytly materiálové mapy podrobný tepelný popis rozložení mědi ve všech vrstvách. Finální simulace odvodu tepla (viz obrázek 2) vzala v úvahu všechny materiály kromě kovového krytu, TIM a materiálů spodní výplně.

 

  Ředitel technického marketingu JCET Eric Ouyang se připojil k inženýrům JCET a Meta, aby porovnali tepelný výkon monolitických čipů, vícečipových modulů, 2.5D interposerů a 3D vrstvených čipů s jedním ASIC a dvěma SRAM. Proces porovnání udržuje prostředí serveru, chladič s vakuovou komorou a TIM konstantní. Pokud jde o teplotu, 2,5D a MCM fungují lépe než 3D nebo monolitické čipy. Ouyang a kolegové z JCET navrhli matici rezistorů a diagram výkonové obálky (viz obrázek 3), které lze použít v raném návrhu modulu k určení úrovní vstupního výkonu různých čipů a nastavení spojů před časově náročnými tepelnými simulacemi. Zda lze teplotu spolehlivě kombinovat. Jak je znázorněno na obrázku, bezpečná zóna zvýrazňuje výkonový rozsah každého čipu, který splňuje standardy spolehlivosti.

Ouyang vysvětlil, že během procesu návrhu mohou návrháři obvodů mít představu o úrovních výkonu různých čipů umístěných v modulu, ale nemusí vědět, zda jsou tyto úrovně výkonu v mezích spolehlivosti. Tento diagram určuje oblast bezpečného napájení až pro tři čipy v chipletovém modulu. Tým vyvinul automatický kalkulátor výkonu pro více čipů.

 

03 Kvantifikujte tepelný odpor

Můžeme porozumět tomu, jak je teplo vedeno přes křemíkový čip, obvodovou desku, lepidlo, TIM nebo víko obalu, a používat standardní metody teplotního rozdílu a výkonové funkce ke sledování hodnot teploty a odporu.

"Tepelná cesta je kvantifikována třemi klíčovými hodnotami - tepelným odporem od spoje zařízení k okolí, tepelným odporem od spoje k pouzdru [na horní straně balení] a tepelným odporem od spoje k obvodová deska,“ řekl Ouyang z JCET. tepelný odpor. Poznamenal, že zákazníci JCET minimálně vyžadují θja, θjc a θjb, které pak používají při návrhu systému. Mohou vyžadovat, aby daný tepelný odpor nepřekračoval určitou hodnotu, a požadovat, aby takový výkon zajišťovala konstrukce obalu. (Podrobnosti viz JEDEC's JESD51-12, Pokyny pro hlášení a používání tepelných informací balíčků).

 

  Tepelná simulace je nejekonomičtější způsob, jak prozkoumat výběr a sladění materiálů. Simulací čipu v pracovním stavu obvykle najdeme jedno nebo více horkých míst, takže můžeme přidat měď do základního materiálu pod horkými místy, abychom usnadnili odvod tepla; nebo vyměňte obalový materiál a přidejte chladič. Systémový integrátor může určit, že tepelné odpory θja, θjc a θjb nesmí překročit určité hodnoty. Normálně by teplota křemíkového přechodu měla být udržována pod 125 stupňů.

Po dokončení simulace provede továrna na výrobu obalů návrh experimentů (DOE), aby se dospělo ke konečnému řešení balení.

04 Vyberte ČAS

V pouzdře je více než 90 % tepla odváděno skrz obal z horní části čipu do chladiče, obvykle eloxovaných svislých žeber na bázi hliníku. Mezi čip a obal je umístěn materiál tepelného rozhraní (TIM) s vysokou tepelnou vodivostí, který napomáhá přenosu tepla. TIM nové generace pro CPU zahrnují slitiny plechů, jako je indium a cín, a také stříbrem slinutý cín s vodivostí 60 W/mK a 50 W/mK.

Vzhledem k tomu, že výrobci přecházejí SoC na čipové procesy, je zapotřebí více TIM s různými vlastnostmi a tloušťkami.

YoungDo Kweon, vrchní ředitel výzkumu a vývoje společnosti Amkor, uvedl, že u systémů s vysokou hustotou má tepelný odpor TIM mezi čipem a pouzdrem větší vliv na celkový tepelný odpor zabaleného modulu. Trendy napájení dramaticky rostou, zejména pro logiku, takže se zaměřujeme na udržování nízkých teplot přechodu, abychom zajistili spolehlivý provoz polovodičů. Přestože dodavatelé TIM uvádějí hodnoty tepelného odporu svých materiálů, ve skutečnosti je tepelný odpor čipu k obalu (θjc) ovlivněn samotným procesem montáže, včetně kvality spojení a kontaktní plochy mezi čipem a TIM. Poznamenal, že testování se skutečnými montážními nástroji a spojovacími materiály v kontrolovaném prostředí je zásadní pro pochopení skutečného tepelného výkonu a pro výběr nejlepšího TIM pro kvalifikaci zákazníka.

Zvláštním problémem jsou mezery. Parry ze společnosti Siemens řekl: "Použití materiálů v balení je velkou výzvou. Již víme, že materiálové vlastnosti lepidla nebo lepidla a způsob, jakým materiál smáčí povrch, ovlivní celkový tepelný odpor, který daný materiál představuje." tedy kontaktní odpor . Hodně záleží na tom, jak materiál proudí do povrchu, aniž by vytvářel nedokonalosti, které vytvářejí další odpor vůči tepelnému toku.

 

05 Řešení problémů s teplem jinak

Výrobci čipů hledají způsoby, jak vyřešit problém s odvodem tepla. Randy White, programový manažer paměťových řešení ve společnosti Keysight Technologies, řekl: "Metoda balení zůstává stejná, pokud zmenšíte velikost čipu o čtvrtinu, zrychlí se. Mohou existovat určité rozdíly v integritě signálu. Kvůli externím klíčům balíčku Spojovací vodič jde do čipu a čím delší je vodič, tím větší je indukčnost, takže je zde část elektrického výkonu. Jak tedy rozptýlit tolik energie v dostatečně malém prostoru? To je další klíčový parametr, který je třeba prostudovat? ."

To vedlo k významným investicím do špičkového výzkumu lepení, který se zdánlivě zaměřuje na hybridní lepení. Hybridní spojování je ale drahé a zůstává omezeno na vysoce výkonné aplikace typu procesoru, přičemž TSMC je v současnosti jednou z mála společností, které tuto technologii nabízejí. Vyhlídky na kombinování fotonů na čipech CMOS nebo nitridu galia na křemíku jsou však slibné.

06 Závěr

Prvotní myšlenkou pokročilého balení je, že bude fungovat jako kostky Lego – čipy vyvinuté v různých procesních uzlech lze sestavit dohromady a problémy s teplotou se zmírní. Ale to něco stojí. Z hlediska výkonu a výkonu je důležitá vzdálenost, kterou signál potřebuje urazit, a obvody, které jsou stále zapnuté nebo musí zůstat částečně otevřené, mohou ovlivnit tepelný výkon. Rozdělení čipu na více částí pro zvýšení výtěžnosti a flexibility není tak jednoduché, jak se zdá. Každé propojení v balíčku musí být optimalizováno a hotspoty již nejsou omezeny na jeden čip.

První modelovací nástroje by mohly být použity k vyloučení různých kombinací čipů, což dalo návrhářům komplexních modulů velkou podporu. V této éře stále se zvyšujících výkonových hustot zůstanou termické simulace a zavádění nových TIM zásadní.