Navigerende varme i avanceret emballage

Integrationen af ​​flere heterogene matricer i en pakke er afgørende for at udvide Moores lov og forbedre ydeevnen, strømeffektiviteten og funktionaliteten, men det rejser også betydelige spørgsmål om, hvordan man håndterer den termiske belastning.

Avanceret emballage giver en måde at pakke flere funktioner og funktioner ind i en enhed, i stigende grad ved at stable forskellige komponenter lodret i stedet for blot at krympe digitale kredsløb for at proppe mere funktionalitet på en sigtekorsstørrelse SoC. Det rejser spørgsmål om, hvordan man optimerer ydeevne og kraft. På en enkelt matrice kan signalveje være så korte som nødvendigt, og substratet er effektivt til at sprede varmen. Men med flere matricer i en pakke skal substrater og dielektrikum være tyndere for at reducere den afstand, som signalerne skal rejse, og det begrænser den termiske spredning.

Dette kan føre til hotspots, som kan være svære at forudsige, især under varierende arbejdsbelastninger og brugssager. Og det kan gøres værre, når man integrerer flere chips eller chiplets med varierende termiske egenskaber i en enkelt pakke.

"Hver gang du sætter multiple matricer på et substrat eller interposer, er det udfordrende," siger Vik Chaudhry, seniordirektør, produktmarketing og forretningsudvikling hos Amkor-teknologi. "Vi ser leverandører, der ikke bare sætter 3 eller 4, men 8 eller 10 eller 12 dør. Hvordan fordeler du den varme rundt omkring?”

Fig. 1: Simulering af varmeafledning ved termiske par. Kilde: Ansys

Heterogen integration afhænger af evnen til effektivt at fjerne varmen, hvilket sikrer, at de tætpakkede matricer i et modul opretholder acceptable temperaturer for pålidelig drift. IEEE's Heterogene Integration Roadmap identificerer flere områder med udviklingsbehov, herunder avancerede modelleringsteknikker til at forudsige og styre varmeflow, nye materialer med både høj termisk ledningsevne og lav elektrisk ledningsevne og nye køleløsninger, der kan integreres problemfrit i komplekse pakker.

Termisk uoverensstemmelse
Materialevalg er afgørende for termisk styring i heterogen integration. Når komponenter med forskellige termiske udvidelseskoefficienter (CTE) opvarmes og afkøles, udvider og trækker disse materialer sig sammen med forskellige hastigheder. Det kan forårsage mekaniske spændinger, der kompromitterer chipsenes integritet, svækker bindingerne, der forbinder dem med interposers eller andre substrater, og påvirker en enheds overordnede funktionalitet.

Anvendelse af materialer med lignende CTE'er hjælper med at reducere disse spændinger, hvilket mindsker en del af risikoen for for tidlig fejl samt andre termisk inducerede effekter, såsom accelereret aldring, reduceret elektronmobilitet eller drift i analoge eller optiske signaler.

"CTE er formentlig den største udfordring for avanceret emballage, og jeg tror ikke, at nogen rigtig har fundet ud af det," siger David Fromm, COO og vicepræsident for ingeniør hos Promex Industries. "Vi beskæftiger os med CTE på en tredimensionel skala på måder, som vi aldrig har set før, og disse problemer med dele, der deformeres eller går i stykker, er virkelig udfordrende. Nogle virksomheder kan finde ud af det for en given proces, og så ændres materialerne, enhedsstørrelserne ændres, og ligningen ændres. Og så skal du finde ud af det igen.”

Enkelt sagt kræver heterogen integration en grundlæggende forståelse af de termiske ekspansionsegenskaber af ethvert materiale, der i sidste ende kan forme pålideligheden og udbyttet af den emballerede enhed. Og det er kun en del af problemet. Avanceret pakning kræver en forståelse af, hvad der ellers er i nærheden af ​​en chip eller chiplet, hvordan de andre elementer bruges, og alt dette skal modelleres og simuleres sammen ved hjælp af, hvad der forventes at være en realistisk arbejdsbyrde. Dette problem gøres meget vanskeligere, når computerbehovene ændrer sig, såsom i datacentre, hvor generativ AI har øget mængden af ​​data, der skal behandles markant, hvilket resulterer i højere udnyttelse af processorer og hukommelser.

"Der har altid været en vis grad af termisk analyse, men det blev gjort til sidst bare for at kontrollere, at intet kom for langt ud af hånden," siger Marc Swinnen, direktør for produktmarketing hos ANSYS. "Du kunne målrette en bestemt overgangstemperatur, og hvis den var kompatibel, var det så enkelt. Men nu med multi-die-systemer, bliver du nødt til at gøre det på RTL-gulvplanlægningsstadiet. Du bliver nødt til at have en ide om, hvad udgangseffekten af ​​hver af disse chips er, så to chips, der bliver varme i samme driftstilstand, ikke placeres lige ved siden af ​​hinanden eller lige oven på hinanden . Det vil dømme dit design."

Tilbage til tegnebrættet
Da industrien kæmper med forskellige udfordringer til den heterogene integrationskøreplan, er termisk styring ikke længere en eftertanke. Det er flyttet til venstre i design-gennem-produktion flowet, og ud i feltet, hvor in-circuit monitorer kan vurdere og justere alt fra partitionering til prioritering af forskellige chips og chiplets.

"Djævelen er i detaljerne," siger Fromm. "Disse tilsyneladende mindre design- og integrationsbeslutninger kan have en enorm indflydelse på, om du overhovedet kan bygge det, du ønsker, meget mindre bygge det med udbytte og produktpålidelighed nedstrøms. At vælge de rigtige materialer, tænke på stack-ups og tænke på procesflowet er alt sammen afgørende."

Dette repræsenterer et grundlæggende skift i et stigende antal designs, fra datacentre til forbrugerelektronik og stadig mere autonome køretøjer. Som heterogene elementer er pakket sammen i fan-outs med søjler, 2.5D, og især i 3D-IC designs, skal termiske veje kortlægges mere detaljeret. Gøres det forkert, kan dette forårsage skade på en hel pakke fyldt med flere chips/chiplets, hvor selv at finde kilden til problemet kan være dyrt.

"Der er behov for at designe til termiske mekaniske begrænsninger såvel som substrat- og samlingsteknologien," siger George Orji, forsker for CHIPS National Advanced Packaging Manufacturing Program (NAPMP). "Avanceret emballage tillader ikke efterbearbejdning, så monolitiske chipdesignmetoder til avanceret emballage er noget, vi skal gøre."

Den kompleksitet, der ligger i heterogent integrerede systemer, kræver en tværfaglig tilgang til design. Dette er komplicerede ting, og forsøg på at få denne tilgang til at fungere er ikke nye, og det mislykkedes i lyset af plan skalering. David Fried, corporate vice president ved Lam Research, sagde under en nylig paneldebat, at IBM prøvede 3D heterogen integration for 25 år siden, da han var der. "Vi troede, at vi kunne samle en masse af proceskomponenterne i det," sagde han. "Men nogle af de største udfordringer var på design- og EDA-siden, at opdele hvilken teknologi der skal bruges, hvordan man segmenterer de forskellige komponenter i systemet på forskellige chips og derefter at gå tilbage og genintegrere dem. Designet og optimeringen af ​​designet skal være der, for at det kan fungere.”

Det, der har ændret sig siden da, er, at chipindustrien er løbet tør for muligheder. Det er ved at blive for dyrt at udvikle chips ved de mest avancerede noder og for begrænset af sigtekorets størrelse. Men det er stadig et svært arbejde.

For at lette byrden for designere er synergistiske teknikker, der involverer avanceret materialevidenskab og computerstøttede designværktøjer, stadig vigtigere, især efterhånden som chipkonfigurationer bliver mere indviklede, og integreret funktionalitet stiger. "Det er her, vi stadig har arbejde at gøre," tilføjer Ansys' Swinnen. "Hvordan løser vi dette på en måde, der ikke kræver, at enhver designer er ekspert i termisk og ekspert i elektromagnetisk interferens og ekspert i mekanisk? Det er urealistisk at forvente det af vores designfællesskab.”

Med disse begrænsninger følger nødvendigheden af ​​innovation i flere nøgleaspekter af designprocessen. I erkendelse af den mangesidede karakter af varmegenerering inden for tæt integrerede chips, er det bydende nødvendigt at behandle ikke kun steady-state, men også forbigående termiske hændelser, som i vid udstrækning er baseret på use-cases eller arbejdsbelastninger. Køreplanen for heterogen integration inkluderer strategier som 3D termiske grænsefladematerialer og CTE-matchede varmespredere for at sikre jævn varmefordeling.

"Med flere matricer har du flere kilder til termiske effekter, flere mekaniske gradienter og temperaturgradienter," siger Manuel Mota, senior product marketing manager hos Synopsys. "Alt dette skal løses i designfasen."

Integrering af termiske overvejelser i designprocessen er et krav for den praktiske realisering af enhver kompleks halvlederenhed. Det handler ikke kun om at identificere de rigtige materialer eller komponenter. Det er også at forestille sig, hvordan de alle vil fungere kollektivt i marken.

Efterhånden som ingeniører reducerer formfaktoren for elektroniske enheder, mens de øger deres ydeevne, strammes den termiske konvolut betydeligt. Omfattende styring af termiske profiler på tværs af forskellige driftstilstande, ved at udnytte de nyeste varmespredere og termiske grænsefladematerialer, bliver afgørende for at opretholde enhedens integritet og ydeevne over dens tilsigtede livscyklus.

"Termisk er den største begrænsning for integrationstæthed," siger Swinnen. “Det er nemt at stable chipsene. Du kan fremstille det, og du kan designe det, men det vil aldrig fungere, fordi det bliver for varmt. Så termisk er blevet en central del af enhver 3D-IC-chipdesigners bekymring."

At løse den termiske udfordring i heterogen integration kræver at sammensætte forskellige materialer, såsom halvledere med lavere CTE'er, som silicium, med metaller som kobber eller aluminium, for effektivt at sprede varme. Desværre fører denne blanding af materialer ofte til vridning, revner, loddepudsløftning og enheder, der svigter tidligere end forventet. Der er brug for nye materialer, der har kompatible egenskaber for at overvinde disse problemer.

"Disse substratmaterialer vil sandsynligvis udvikle sig langsommere end grænsefladematerialerne, klæbemidlerne, epoxyerne og så videre," siger Fromm. "Det kommer ned til procesforhold, og hvordan du håndterer dem. Hvor vi kan være bedre på forarbejdningssiden, er at arbejde med klæbemiddelproducenterne for at forstå ændringer i temperatur og derefter opstrøms på designniveau for at forstå, hvordan alle disse stakke kan udvikle sig, i betragtning af disse ændringer i temperatur."

Materielle innovationer
Termiske bekymringer rækker langt ud over bare chippens drift. Varme er også et problem på fremstillingssiden. Chipsene i en avanceret pakke skal overleve montering og fremstilling, hvor nogle af de samme CTE-problemer kan blive problematiske.

Overvej f.eks. kollektiv die-to-wafer (CoD2W), som bruger termo-kompressionsbinding til at fastgøre en die til en wafer. "I CoD2W-processen er der situationer, hvor forskellige matricer kommer fra forskellige kilder og kan have forskellige højder eller forskellige tykkelser," siger Rama Puligadda, administrerende direktør for avanceret teknologi R&D hos Bryggervidenskab. "Når du fylder en bærer med disse dyser, er det meget svært at vide, om alle dies vil komme i kontakt med målet under limning. De mekaniske egenskaber af klæbemidlet er designet til at tillade den højere matrice at blive lidt indlejret under limning, hvilket muliggør god kontakt mellem alle matricer og målwaferen."

Det rejser forskellige problemer. "Udfordringer for vores materialer omfatter temperaturbegrænsninger af forskellige matricer," sagde Puligadda. "Vi skal sikre, at de temperaturer, der bruges til at lime materialer, ikke overstiger de termiske begrænsninger for nogen af ​​de spåner, der integreres i pakken. Derudover kan der være nogle efterfølgende processer som dannelse af omfordelingslag eller støbning. Vores materialer skal overleve disse processer. De skal overleve de kemikalier, de kommer i kontakt med under hele pakkeprocesordningen. Mekaniske spændinger i pakken tilføjer yderligere udfordringer for limning af materialer."

En række materialer er under udvikling, der tilbyder overlegen varmeledningsevne såvel som elektrisk isolering. Disse nyudviklede termiske grænsefladematerialer (TIM'er) giver effektive varmeledningsveje mellem en chip og dens køler uden at forstyrre chippens ydeevne. TIM'er kan ikke kun prale af forbedret termisk ledningsevne, men tager også højde for de minimale afvigelser, der induceres af ujævn varmeudvikling på tværs af chippens overflade.

"Termisk styring vil kræve nye termiske materialer såvel som nye kredsløbstopologier, der anvender avancerede substrater og heterogen integration," siger Orji. "Fordi chipsene er pakket så tæt på hinanden, er der meget begrænset evne til at sprede overskydende varme."

Fig. 2: Detaljeret billede af et partikelfyldt polymert termisk grænseflademateriale. Kilde: Amkor

Ideelt set vil disse nye materialer udvise stærke kovalente bindinger og afbalancerede anion-kation-masser, beslægtet med den ukomplicerede atomstruktur, der findes i diamant. Anerkendte materialer i denne kategori omfatter diamant sammen med forbindelser som berylliumoxid, aluminiumnitrid, bornitrid og til en vis grad siliciumnitrid. På trods af deres varmeledningsevne udgør disse materialer fremstillingsudfordringer på grund af selve de bindinger, der giver deres styrke, hvilket for eksempel nødvendiggør højtemperatursintringsprocesser for at opnå den ønskede densitet. En undtagelse er diamant, som ikke egner sig til sintring.

En tilgang til at udnytte fordelene ved disse materialer, på trods af deres forarbejdningsudfordringer, omfatter anvendelse af kompositter. For eksempel indfanger inkorporering af aluminiumnitrid i en epoxykomposit delvist de termiske håndteringsfordele, selvom det ikke vil matche ledningsevneniveauerne for en solid keramisk modstykke. Denne blanding af materialeegenskaber er afgørende i elektronikemballage, hvor det er ønskeligt at have en fremragende elektrisk leder, der trækker nok varme væk fra chipkernerne til at forhindre kompromiser i signalydelsen.

Diamant, der er berømt for sin ekstreme hårdhed, skiller sig ud som en eksemplarisk termisk leder og isolator. Polymere materialer som Teflon (Polytetrafluorethylen eller PTFE), selvom de er mindre ledende end keramik eller diamant, overgår stadig mange plasttyper i deres evne til at lede varme og tilbyder pålidelig elektrisk isolering. PTFE er effektivt nok til at blive brugt som belægningsmateriale i varmeintensive applikationer såsom køkkengrej.

Glas, porcelæn og anden tæt keramik deler disse isolerende og varmeledende egenskaber. De giver praktiske løsninger, især i tilfælde, hvor der også kræves en fremragende elektrisk isolator til at håndtere varme. Aluminiumnitrid (AlN) bruges som en isolator i halvlederenheder, der bygger bro mellem matricer og varmeoverførselskomponenter. På trods af at AlN ikke er så termisk ledende som berylliumoxid, tilbyder AlN et sikrere og mere omkostningseffektivt alternativ. Derudover overgår AlN mere standardisolatorer som glimmer, polyimid og aluminiumoxid med hensyn til termisk styring.

Syntetisk safir fortjener også opmærksomhed på grund af dens overkommelighed og formbarhed i forskellige former, hvilket gør den til en anden værdifuld aktør i halvlederemballageområdet. Hvert af disse materialer præsenterer unikke fordele i designet af pakker, hvor kontrol af varme uden at hæmme elektronisk ydeevne er altafgørende.

Mens avancerede materialer som diamant og aluminiumnitrid er på forkant med at tackle termiske udfordringer i halvlederenheder, kræver ikke alle løsninger eksotiske eller stive komponenter. Termisk fedt og klæbestoffer tjener som bindevæv i elektronisk emballage, udfylder små huller eller overfladeuregelmæssigheder og letter varmeoverførsel mellem komponenter med varierende topografi. Deres evne til at tilpasse sig overflader er et afgørende supplement til de mere solide varmestyringsløsninger, der danner en omfattende tilgang til varmeafledning. Med fokus på at forbedre disse materialer sigter forskerne efter at forbedre deres varmeledningsegenskaber, hvilket gør dem til mere effektive partnere i varmestyringsparadigmet.

"Termisk fedt og termisk klæbestoffer er termisk ledende," tilføjer Fromm, "Men sammenlignet med materialer som en typisk keramik, der er termisk ledende, er de forfærdelige ledere med en faktor på ti. Disse materialer er ikke så gode, og der er fysiske og kemiske grunde til det. Der er mange fordele at opnå der, og der sker en masse arbejde i det rum.”

Fremadrettet
Da nye materialer baner vejen for termisk aflastning, er innovative nye køleteknikker også under udvikling. Silicium-mikrokanaler, som er mikroskala-baner ætset ind i substrater, kan dirigere kølemidler direkte til hjertet af hotspots. Denne direkte afkølingsmetode er overlegen i forhold til traditionelle køleplader, men byder på udfordringer i design, montering og pålidelighed.

Tilsvarende kunne udviklingen af ​​væskekølesystemer med lukket kredsløb gøre det muligt for komponenter at forblive kølige uden de begrænsninger, der pålægges af luftstrømsmetoder. Disse systemer tilbyder løftet om en køligere driftstemperatur uden truslen om termisk drosling, men der er meget forskning, der skal laves i både design og proceshåndtering af væskekølesystemer.

En anden mulighed er simpelthen at vende strukturen af ​​stablet matrice, så i stedet for at lægge hukommelse oven på logik, lægges logikken oven på hukommelsen med en køleplade ovenpå. Winbond foreslog for det første dette med sin tilpassede ultra-bandwidth elements (CUBE) teknologi, en højtydende tilgang, der stabler SoC-topmatricen direkte til hukommelsen, som derefter fastgøres til substratet ved hjælp af gennemgående silicium-vias. Fremgangsmåden ifølge CS Lin, marketingchef hos Winbond, bruger mindre strøm, hvilket igen reducerer varmen. Derudover tillader det varmen at blive fjernet direkte i stedet for at kanalisere den gennem en eller anden labyrint af heterogene komponenter.

En anden mulighed er at bruge termisk realtidsstyring, drevet af AI. Algoritmer kan nu overvåge temperaturer på tværs af forskellige placeringer på chip, styre køleressourcer dynamisk og sikre optimal ydeevne uden at krydse den termiske røde linje. ProteanTecs har for eksempel lige udrullet en løsning rettet mod datacentret, som den siger kan sænke strømmen i servere ved at reducere mængden af ​​guard-banding, der er nødvendig for at beskytte chipsene mod overophedning. Denne tilgang er afhængig af overvågning af ændringer inde fra en chip og justeringer efter behov.

Synopsys og Siemens EDA har også løsninger på plads til at overvåge forskellige aktivitets- og temperaturændringer ved hjælp af interne sensorer. At kunne få udlæsninger inde fra en pakke ved hjælp af telemetri er en stadig vigtigere komponent i håndtering af varme.

"Du har den mekaniske konstruktion af chips på chips og på interposers med tusinder eller millioner af mikrobump, og de udvider sig alle og trækker sig sammen, efterhånden som chippen varmes op," tilføjer Swinnen. "Afhængigt af dit termiske kort skal din strømintegritet tilpasses den lokale temperaturprofil i realtid. Du kan beregne, hvor meget strøm en chip afgiver, men hvilken temperatur det bringer den til afhænger af. Sidder den på en kold tallerken, eller sidder den i solen i Sahara? Den samme chip og den samme aktivitet kan føre til meget forskellige temperaturer afhængigt af omgivelserne."

Derudover lover forskning i faseskiftende materialer, som absorberer varme ved at ændre deres tilstand, passiv, men potent temperaturregulering. Mere så, udforskningen af ​​biologiske kølesystemer, der forsøger at efterligne den menneskelige krops reaktion på varme, varsler en fremtid, hvor vores enheder kan sprede varmen lige så intuitivt, som vi sveder.

Konklusion
Da halvlederindustrien fortsætter med at skubbe grænserne for ydeevne og integration, er den termiske styring inden for avanceret emballage fortsat en udfordring. På den ene side af spektret opstår eskalerende termiske kompleksiteter, efterhånden som virksomheder søger mod tættere pakkede multi-chip-moduler. På det modsatte stræber fremskridt inden for materialevidenskab og innovative køleteknologier efter at lindre den resulterende termiske belastning. Begge er nødvendige for at løse komplekse termiske udfordringer, men der er stadig meget arbejde forude for at løse dette på en konsekvent og forudsigelig måde.

— Ed Sperling bidrog til denne rapport.

Beslægtet læsning
Håndtering af termisk induceret stress i chips
Heterogen integration og stigende tæthed ved avancerede noder skaber nogle komplekse og vanskelige udfordringer for IC-fremstilling og -pakning.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk dig selv. Adgang her.
• PlatoAiStream. Web3 intelligens. Viden forstærket. Adgang her.
• PlatoESG. Kulstof, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Affaldshåndtering. Adgang her.
• PlatoHealth. Bioteknologiske og kliniske forsøgs intelligens. Adgang her.
• Kilde: https://semiengineering.com/navigating-heat-in-advanced-packaging/