چگونه مشکلات حرارتی بسته بندی چیپس را حل کنیم

  تراشه‌های منطقی گرما تولید می‌کنند و هر چه منطق متراکم‌تر باشد و استفاده از عناصر پردازش بیشتر باشد، گرما بیشتر می‌شود. ...
مهندسان به دنبال راه هایی برای دفع موثر گرما از ماژول های پیچیده هستند.

قرار دادن چند تراشه در کنار هم در یک بسته می‌تواند مشکلات حرارتی را کاهش دهد، اما از آنجایی که شرکت‌ها برای افزایش کارایی و کاهش قدرت، بیشتر به روی انباشته چیپ‌ها و بسته‌بندی متراکم‌تر می‌پردازند، با مجموعه جدیدی از مسائل مربوط به گرما دست و پنجه نرم می‌کنند.

تراشه های بسته بندی پیشرفته نه تنها می توانند نیازهای محاسباتی با کارایی بالا، هوش مصنوعی، رشد چگالی توان و غیره را برآورده کنند، بلکه مسائل اتلاف حرارت بسته بندی های پیشرفته نیز پیچیده شده است. زیرا نقاط داغ روی یک تراشه بر توزیع حرارت تراشه های مجاور تأثیر می گذارد. سرعت اتصال بین تراشه ها نیز در ماژول ها نسبت به SoC ها کندتر است.

جان پری، رئیس بخش الکترونیک و نیمه هادی ها در این باره می گوید: «پیش از اینکه دنیا وارد مسائلی مانند چند هسته ای شود، شما با تراشه ای روبرو بودید که حداکثر توان آن حدود 150 وات بر سانتی متر مربع بود که یک منبع گرمای تک نقطه ای بود. نرم افزار صنایع دیجیتال زیمنس. شما می توانید گرما را در هر سه جهت دفع کنید، بنابراین می توانید به چگالی توان بسیار بالایی دست یابید. اما وقتی یک تراشه دارید و یک تراشه دیگر را در کنار آن قرار می دهید و سپس یک تراشه دیگر را در کنار آن قرار می دهید، آنها یکدیگر را گرم می کنند. چالش بسیار دشوارتر است."

این یکی از دلایل اصلی پیشرفت کند انباشته شدن آی سی های سه بعدی در بازار است. در حالی که این مفهوم از دیدگاه بهره وری قدرت و یکپارچگی معنا دارد - و در 3D NAND و HBM به خوبی کار می کند - وقتی منطق گنجانده شود، داستان متفاوتی است. تراشه‌های منطقی گرما تولید می‌کنند، و هرچه منطق متراکم‌تر باشد و استفاده از عناصر پردازش بیشتر باشد، گرما بیشتر است.

 

 

01 بسته مناسب را انتخاب کنید

برای طراحان تراشه، گزینه های بسته بندی زیادی وجود دارد. اما عملکرد یکپارچه سازی تراشه بسیار مهم است. قطعاتی مانند سیلیکون، TSV ها، ستون های مسی و غیره همگی دارای ضرایب انبساط حرارتی متفاوتی هستند (TCE) که بر راندمان مونتاژ و قابلیت اطمینان طولانی مدت تأثیر می گذارد.

اگر با فرکانس بالاتر باز و بسته می‌شوید، ممکن است با مشکلات چرخه حرارتی مواجه شوید. برد مدار چاپی، توپ های لحیم کاری و سیلیکون همگی با سرعت های متفاوتی منبسط و منقبض می شوند. بنابراین، مشاهده خرابی های ترمال سیکلینگ در گوشه های بسته، جایی که ممکن است گوی های لحیم کاری ترک بخورند، طبیعی است. بنابراین ممکن است یک سیم زمین اضافی یا یک منبع تغذیه اضافی در آنجا قرار دهد.

پکیج BGA فلیپ چیپ محبوب در حال حاضر با CPU و HBM مساحتی در حدود 2500 میلی متر مربع دارد. مایک مک اینتایر، مدیر مدیریت محصولات نرم افزاری در Onto Innovation می گوید: «ما شاهد هستیم که یک تراشه بزرگ به طور بالقوه به چهار یا پنج تراشه کوچک تبدیل می شود. بنابراین شما باید ورودی/خروجی بیشتری داشته باشید تا به این تراشه‌ها اجازه دهید با یکدیگر صحبت کنند. بنابراین می‌توانید گرما را تخصیص دهید.

در نهایت، خنک کردن موضوعی است که می توان در سطح سیستم با آن برخورد کرد و با یک سری معاوضه همراه است.

در واقع، برخی از دستگاه ها به قدری پیچیده هستند که به سختی می توان قطعات را به راحتی جایگزین کرد تا بتوان این دستگاه ها را برای یک حوزه کاربردی خاص سفارشی کرد. به همین دلیل است که بسیاری از محصولات بسته بندی پیشرفته برای قطعات بسیار با حجم بالا یا انعطاف پذیر قیمت مانند تراشه های سرور استفاده می شوند.

02 پیشرفت در شبیه سازی و آزمایش ماژول تراشه

با این وجود، مهندسان به دنبال راه‌های جدیدی برای انجام تحلیل حرارتی قابلیت اطمینان پکیج قبل از تولید ماژول‌های بسته‌بندی شده هستند. برای مثال، زیمنس نمونه‌ای از یک ماژول مبتنی بر ASIC دوگانه را ارائه می‌کند که یک لایه توزیع مجدد بادکنک (RDL) را روی یک بستر آلی چند لایه در یک بسته BGA نصب می‌کند. از دو مدل استفاده می کند، یکی برای WLP مبتنی بر RDL و دیگری برای BGA روی بسترهای آلی چند لایه. این مدل‌های بسته پارامتری هستند، از جمله پشته لایه زیرلایه و BGA قبل از معرفی اطلاعات EDA، و ارزیابی اولیه مواد و انتخاب قرار دادن قالب را امکان‌پذیر می‌سازند. سپس، داده‌های EDA وارد شدند و برای هر مدل، نقشه‌های مواد شرح حرارتی دقیقی از توزیع مس در همه لایه‌ها ارائه کردند. شبیه سازی اتلاف حرارت نهایی (نگاه کنید به شکل 2) همه مواد به جز درپوش فلزی، TIM و مواد پر شده را در نظر گرفت.

 

  مدیر بازاریابی فنی JCET، اریک اویانگ، به مهندسین JCET و Meta پیوست تا عملکرد حرارتی تراشه‌های یکپارچه، ماژول‌های چند تراشه، اینترپوزرهای 2.5 بعدی و تراشه‌های انباشته 3 بعدی را با یک ASIC و دو SRAM مقایسه کنند. فرآیند مقایسه محیط سرور، هیت سینک با محفظه خلاء و TIM را ثابت نگه می دارد. از نظر حرارتی، 2.5D و MCM بهتر از تراشه های سه بعدی یا یکپارچه عمل می کنند. Ouyang و همکارانش در JCET یک ماتریس مقاومت و نمودار پوشش قدرت طراحی کردند (شکل 3 را ببینید) که می تواند در طراحی اولیه ماژول برای تعیین سطوح توان ورودی تراشه های مختلف و تنظیم اتصالات قبل از شبیه سازی های حرارتی زمان بر استفاده شود. آیا می توان دما را به طور قابل اعتماد ترکیب کرد یا خیر. همانطور که در شکل نشان داده شده است، یک منطقه امن محدوده قدرت هر چیپ را که استانداردهای قابلیت اطمینان را برآورده می کند، برجسته می کند.

اویانگ توضیح داد که در طول فرآیند طراحی، طراحان مدار ممکن است ایده ای 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. این نمودار منطقه قدرت ایمن را برای حداکثر سه تراشه در یک ماژول چیپلت تعیین می کند. این تیم یک ماشین حساب قدرت خودکار برای تراشه های بیشتر توسعه داده است.

 

03 مقاومت حرارتی را کمی کنید

ما می توانیم بفهمیم که چگونه گرما از طریق تراشه سیلیکونی، برد مدار، چسب، TIM یا درب بسته هدایت می شود و از روش های استاندارد تفاوت دما و عملکرد توان برای ردیابی دما و مقادیر مقاومت استفاده کنیم.

"مسیر حرارتی با سه مقدار کلیدی تعیین می شود - مقاومت حرارتی از محل اتصال دستگاه به محیط، مقاومت حرارتی از محل اتصال به کیس [در بالای بسته]، و مقاومت حرارتی از محل اتصال به برد مدار، گفت: Ouyang از JCET. مقاومت حرارتی او خاطرنشان کرد که حداقل، مشتریان JCET به θja، θjc و θjb نیاز دارند که سپس در طراحی سیستم از آنها استفاده می کنند. آنها ممکن است نیاز داشته باشند که یک مقاومت حرارتی معین از یک مقدار خاص تجاوز نکند و نیاز داشته باشند که طراحی بسته آن عملکرد را ارائه دهد. (برای جزئیات بیشتر به JEDEC's JESD51-12، دستورالعمل هایی برای گزارش و استفاده از اطلاعات حرارتی بسته مراجعه کنید).

 

  شبیه سازی حرارتی اقتصادی ترین راه برای کشف انتخاب و تطبیق مواد است. با شبیه سازی تراشه در شرایط کار، ما معمولا یک یا چند نقطه داغ پیدا می کنیم، بنابراین می توانیم مس را به مواد پایه زیر نقاط داغ اضافه کنیم تا اتلاف گرما را تسهیل کنیم. یا مواد بسته بندی را عوض کنید و یک هیت سینک اضافه کنید. یکپارچه ساز سیستم ممکن است مشخص کند که مقاومت های حرارتی θja، θjc و θjb نباید از مقادیر خاصی تجاوز کنند. به طور معمول، دمای اتصال سیلیکونی باید زیر 125 درجه نگه داشته شود.

پس از تکمیل شبیه سازی، کارخانه بسته بندی یک طراحی آزمایشی (DOE) را برای رسیدن به راه حل بسته بندی نهایی انجام می دهد.

04 TIM را انتخاب کنید

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

همانطور که سازندگان SoC ها را به فرآیندهای چیپلت منتقل می کنند، TIM های بیشتری با ویژگی ها و ضخامت های متفاوت مورد نیاز است.

YoungDo Kweon، مدیر ارشد تحقیق و توسعه در Amkor، گفت که برای سیستم های با چگالی بالا، مقاومت حرارتی TIM بین تراشه و بسته تاثیر بیشتری بر مقاومت حرارتی کلی ماژول بسته بندی شده دارد. روند توان به طور چشمگیری افزایش می یابد، به ویژه برای منطق، بنابراین ما بر پایین نگه داشتن دمای اتصال تمرکز می کنیم تا عملکرد نیمه هادی قابل اعتماد را تضمین کنیم. اگرچه تامین کنندگان TIM مقادیر مقاومت حرارتی را برای مواد خود ارائه می دهند، اما در واقع، مقاومت حرارتی از تراشه به بسته (θjc) تحت تأثیر خود فرآیند مونتاژ، از جمله کیفیت اتصال و منطقه تماس بین تراشه و TIM قرار می گیرد. وی خاطرنشان کرد که آزمایش با ابزارهای مونتاژ واقعی و مواد اتصال در یک محیط کنترل شده برای درک عملکرد حرارتی واقعی و انتخاب بهترین TIM برای صلاحیت مشتری بسیار مهم است.

شکاف ها مشکل خاصی هستند. زیمنس زیمنس گفت: "استفاده از مواد در بسته بندی یک چالش بزرگ است. ما از قبل می دانیم که خواص مواد چسب یا چسب، و نحوه خیس شدن مواد سطح، بر مقاومت حرارتی کلی ارائه شده توسط مواد تاثیر می گذارد. یعنی مقاومت در برابر تماس خیلی بستگی به این دارد که چگونه مواد به داخل سطح جریان می‌یابند که باعث ایجاد مقاومت اضافی در برابر جریان گرما می‌شود.

 

05 برخورد متفاوت با مسائل گرما

تراشه سازان به دنبال راه هایی برای حل مشکل اتلاف گرما هستند. رندی وایت، مدیر برنامه راه حل های حافظه در Keysight Technologies، می گوید: "روش بسته بندی ثابت می ماند، اگر اندازه تراشه را یک چهارم کاهش دهید، سرعت آن افزایش می یابد. ممکن است تفاوت هایی در یکپارچگی سیگنال وجود داشته باشد. به دلیل کلیدهای بسته خارجی. سیم اتصال به تراشه می رود، و هر چه سیم طولانی تر باشد، القایی بیشتر است، بنابراین، چگونه می توانید این همه انرژی را در یک فضای کوچک به اندازه کافی پراکنده کنید "

این امر منجر به سرمایه گذاری قابل توجهی در تحقیقات پیوندهای پیشرفته شده است که ظاهراً بر پیوند هیبریدی متمرکز است. اما پیوند هیبریدی گران است و محدود به برنامه های کاربردی از نوع پردازنده با کارایی بالا است و TSMC در حال حاضر یکی از تنها شرکت هایی است که این فناوری را ارائه می دهد. با این حال، چشم انداز ترکیب فوتون ها بر روی تراشه های CMOS یا نیترید گالیوم روی سیلیکون امیدوارکننده است.

06 نتیجه گیری

ایده اولیه برای بسته بندی پیشرفته این است که مانند آجرهای لگو کار می کند - تراشه های توسعه یافته در گره های فرآیندی مختلف را می توان با هم مونتاژ کرد و مشکلات حرارتی را کاهش داد. اما این هزینه دارد. از منظر عملکرد و توان، مسافتی که سیگنال برای طی کردن نیاز دارد مهم است و مدارهایی که همیشه روشن هستند یا باید تا حدی باز بمانند، می‌توانند بر عملکرد حرارتی تأثیر بگذارند. تقسیم یک تراشه به چند قسمت برای افزایش بازده و انعطاف پذیری آنقدرها هم که به نظر می رسد ساده نیست. هر اتصال درون بسته باید بهینه شود و هات اسپات ها دیگر محدود به یک تراشه نیستند.

ابزارهای مدل‌سازی اولیه را می‌توان برای رد کردن ترکیب‌های مختلف تراشه‌ها مورد استفاده قرار داد و به طراحان ماژول‌های پیچیده رونق زیادی داد. در این عصر چگالی توان فزاینده، شبیه سازی حرارتی و معرفی TIM های جدید ضروری باقی خواهد ماند.