چگونه مشکل حرارتی بسته بندی چیپس را حل کنیم

تراشه‌های بسته‌بندی پیشرفته نه تنها نیازهای محاسباتی با کارایی بالا، هوش مصنوعی، رشد چگالی توان و غیره را برآورده می‌کنند، بلکه مسائل اتلاف حرارت بسته‌بندی پیشرفته را نیز پیچیده می‌کنند. زیرا یک نقطه داغ روی یک تراشه می تواند بر توزیع گرمای تراشه های مجاور تأثیر بگذارد. سرعت اتصال بین تراشه ها نیز در ماژول ها کمتر از SoC است.

مهندسان به دنبال راه‌های موثری برای دفع گرما از ماژول‌های پیچیده هستند. قرار دادن چند تراشه در کنار هم در یک بسته می‌تواند مشکلات حرارتی را کاهش دهد، اما از آنجایی که این شرکت برای بهبود عملکرد و کاهش قدرت به دنبال روی هم چیپ‌ها و بسته‌بندی متراکم‌تر است، با یک سری مسائل جدید مرتبط با گرما دست و پنجه نرم می‌کند.

منطقه بسته بندی Flip BGA محبوب فعلی با CPU و HBM تقریباً 2500 میلی متر مربع است. می بینیم که یک تراشه بزرگ ممکن است به چهار یا پنج تراشه کوچک تبدیل شود. بنابراین لازم است I/O بیشتری داشته باشیم تا این تراشه ها با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. بنابراین می توانید گرما را توزیع کنید. در واقع، برخی از دستگاه‌ها به قدری پیچیده هستند که جایگزینی آسان اجزا برای سفارشی کردن این دستگاه‌ها برای کاربردهای میدانی خاص دشوار است. به همین دلیل است که بسیاری از محصولات بسته بندی پیشرفته برای قطعاتی با مقادیر بسیار زیاد یا کشش قیمتی مانند تراشه های سرور استفاده می شود.

در طول فرآیند طراحی، طراحان مدار ممکن است مفهومی از سطوح توان تراشه های مختلف قرار داده شده در ماژول داشته باشند، اما ممکن است ندانند که آیا این سطوح توان در محدوده قابلیت اطمینان هستند یا خیر. بنابراین، مهندسان به دنبال روش‌های جدیدی برای انجام تحلیل حرارتی قابلیت اطمینان بسته‌بندی قبل از ساخت ماژول‌های بسته‌بندی هستند. از طریق شبیه‌سازی حرارتی، می‌توانیم درک کنیم که چگونه گرما از طریق تراشه‌های سیلیکونی، تخته‌های مدار، چسب‌ها، TIMها یا پوشش‌های بسته‌بندی هدایت می‌شود، در حالی که از روش‌های استاندارد مانند تفاوت دما و عملکرد توان برای ردیابی دما و مقادیر مقاومت استفاده می‌کنیم.

شبیه سازی حرارتی اقتصادی ترین روش برای بررسی انتخاب و تطبیق مواد است. با شبیه‌سازی تراشه‌ها در حالت کارشان، ما معمولا یک یا چند نقطه را کشف می‌کنیم، بنابراین می‌توانیم مس را به زیرلایه زیر هات اسپات اضافه کنیم تا اتلاف گرما را تسهیل کنیم. یا مواد بسته بندی را عوض کنید و یک هیت سینک اضافه کنید.

در بسته بندی، بیش از 90 درصد گرما از بالای تراشه به هیت سینک از طریق بسته بندی، معمولاً یک باله عمودی مبتنی بر اکسید آلومینیوم آنودایز شده، پخش می شود. یک ماده رابط حرارتی (TIM) با هدایت حرارتی بالا بین تراشه و بسته قرار می گیرد تا به انتقال گرما کمک کند. نسل بعدی TIM برای CPUها شامل آلیاژهای ورق فلزی (مانند ایندیم و قلع) و همچنین قلع متخلخل نقره با رسانایی به ترتیب 60W/mK و 50W/mK است.

مفهوم اولیه بسته بندی پیشرفته این است که مانند بلوک های سازنده LEGO کار می کند - تراشه های توسعه یافته در گره های فرآیندی مختلف را می توان با هم مونتاژ کرد و مشکلات حرارتی کاهش می یابد. اما این هزینه دارد. از منظر عملکرد و قدرت، فاصله ای که سیگنال برای انتشار نیاز دارد بسیار مهم است و مدار همیشه باز می ماند یا باید تا حدی باز باشد که می تواند بر عملکرد حرارتی تأثیر بگذارد. تقسیم تراشه ها به چند قسمت برای افزایش تولید و انعطاف پذیری آنقدرها هم که به نظر می رسد ساده نیست. هر اتصال درون بسته بندی باید بهینه شود و نقاط مهم دیگر به یک تراشه محدود نمی شوند.
ابزارهای مدل‌سازی اولیه می‌توانند برای حذف ترکیب‌های مختلف تراشه‌ها مورد استفاده قرار گیرند و نیروی محرکه بزرگی برای طراحان ماژول‌های پیچیده فراهم کنند. در این عصر افزایش مداوم چگالی توان، شبیه سازی حرارتی و معرفی TIM های جدید همچنان ضروری خواهد بود.