Πλοήγηση θερμότητας σε προηγμένες συσκευασίες

Η ενσωμάτωση πολλαπλών ετερογενών καλουπιών σε ένα πακέτο είναι ζωτικής σημασίας για την επέκταση του νόμου του Moore και τη βελτίωση της απόδοσης, της απόδοσης ισχύος και της λειτουργικότητας, αλλά εγείρει επίσης σημαντικά ζητήματα σχετικά με τον τρόπο διαχείρισης του θερμικού φορτίου.

Προηγμένη συσκευασία παρέχει έναν τρόπο συσκευασίας περισσότερων χαρακτηριστικών και λειτουργιών σε μια συσκευή, ολοένα και περισσότερο στοιβάζοντας διάφορα εξαρτήματα κατακόρυφα και όχι απλώς συρρικνώνοντας τα ψηφιακά κυκλώματα για να γεμίσουν περισσότερες λειτουργίες σε ένα SoC μεγέθους δικτυωτού. Αυτό εγείρει ζητήματα σχετικά με τον τρόπο βελτιστοποίησης της απόδοσης και της ισχύος. Σε ένα μόνο καλούπι, οι διαδρομές σήματος μπορεί να είναι τόσο σύντομες όσο χρειάζεται και το υπόστρωμα είναι αποτελεσματικό στη διάχυση της θερμότητας. Αλλά με πολλαπλές μήτρες σε μια συσκευασία, τα υποστρώματα και τα διηλεκτρικά πρέπει να είναι λεπτότερα για να μειωθεί η απόσταση που χρειάζονται τα σήματα για να διανύσουν και αυτό περιορίζει τη θερμική διάχυση.

Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε hotspots, τα οποία μπορεί να είναι δύσκολο να προβλεφθούν, ιδιαίτερα υπό διαφορετικούς φόρτους εργασίας και περιπτώσεις χρήσης. Και μπορεί να γίνει χειρότερο όταν ενσωματώνουμε πολλαπλά τσιπ ή chiplet με ποικίλες θερμικές ιδιότητες σε ένα μόνο πακέτο.

«Κάθε φορά που βάζετε πολλαπλές μήτρες σε ένα υπόστρωμα ή παρεμβολή, είναι πρόκληση», λέει ο Vik Chaudhry, ανώτερος διευθυντής, μάρκετινγκ προϊόντων και επιχειρηματικής ανάπτυξης στο Τεχνολογία Amkor. «Βλέπουμε πωλητές να πεθαίνουν όχι μόνο 3 ή 4, αλλά 8 ή 10 ή 12. Πώς κατανέμεις αυτή τη θερμότητα παντού;»

Εικ. 1: Προσομοίωση απαγωγής θερμότητας σε θερμικά ζεύγη. Πηγή: Ansys

Ετερογενής ολοκλήρωση εξαρτάται από την ικανότητα αποτελεσματικής αφαίρεσης της θερμότητας, διασφαλίζοντας ότι τα πυκνά συσκευασμένα μήτρα μέσα σε μια μονάδα διατηρούν αποδεκτές θερμοκρασίες για αξιόπιστη λειτουργία. Ο οδικός χάρτης ετερογενούς ολοκλήρωσης της IEEE προσδιορίζει διάφορους τομείς αναπτυξιακής ανάγκης, συμπεριλαμβανομένων προηγμένων τεχνικών μοντελοποίησης για την πρόβλεψη και διαχείριση της ροής θερμότητας, νέα υλικά με υψηλή θερμική αγωγιμότητα και χαμηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα και νέες λύσεις ψύξης που μπορούν να ενσωματωθούν απρόσκοπτα σε πολύπλοκα πακέτα.

Θερμική αναντιστοιχία
Οι επιλογές υλικών είναι κρίσιμες για τη θερμική διαχείριση σε ετερογενή ολοκλήρωση. Καθώς εξαρτήματα με διαφορετικούς συντελεστές θερμικής διαστολής (CTE) θερμαίνονται και ψύχονται, αυτά τα υλικά διαστέλλονται και συστέλλονται με διαφορετικούς ρυθμούς. Αυτό μπορεί να προκαλέσει μηχανικές καταπονήσεις που θέτουν σε κίνδυνο την ακεραιότητα των τσιπ, αποδυναμώνουν τους δεσμούς που τα συνδέουν με παρεμβολείς ή άλλα υποστρώματα και επηρεάζουν τη συνολική λειτουργικότητα μιας συσκευής.

Η χρήση υλικών με παρόμοια CTE βοηθά στη μείωση αυτών των τάσεων, μετριάζοντας μέρος του κινδύνου πρόωρης αστοχίας, καθώς και άλλα θερμικά επαγόμενα αποτελέσματα, όπως επιταχυνόμενη γήρανση, μειωμένη κινητικότητα ηλεκτρονίων ή μετατόπιση αναλογικών ή οπτικών σημάτων.

«Το CTE είναι πιθανώς η νούμερο ένα πρόκληση για προηγμένες συσκευασίες και δεν νομίζω ότι κανείς το έχει καταλάβει πλήρως», λέει ο David Fromm, COO και αντιπρόεδρος μηχανικής στο Promex Industries. «Ασχολούμαστε με το CTE σε τρισδιάστατη κλίμακα με τρόπους που δεν έχουμε ξαναδεί, και αυτά τα ζητήματα με στρέβλωση ή θραύση εξαρτημάτων είναι πραγματικά προκλητικά. Ορισμένες εταιρείες μπορεί να το καταλάβουν για μια δεδομένη διαδικασία και στη συνέχεια αλλάζουν τα υλικά, αλλάζουν τα μεγέθη των συσκευών και αλλάζει η εξίσωση. Και μετά πρέπει να το ξαναβρείς».

Με απλά λόγια, η ετερογενής ολοκλήρωση απαιτεί μια θεμελιώδη κατανόηση των ιδιοτήτων θερμικής διαστολής κάθε υλικού που θα μπορούσε τελικά να διαμορφώσει την αξιοπιστία και την απόδοση της συσκευασμένης συσκευής. Και αυτό είναι μόνο ένα μέρος του προβλήματος. Η προηγμένη συσκευασία απαιτεί κατανόηση του τι άλλο υπάρχει στη γειτονιά ενός τσιπ ή chiplet, πώς χρησιμοποιούνται αυτά τα άλλα στοιχεία και όλα αυτά πρέπει να μοντελοποιηθούν και να προσομοιωθούν μαζί χρησιμοποιώντας αυτό που αναμένεται να είναι ρεαλιστικός φόρτος εργασίας. Αυτό το πρόβλημα γίνεται πολύ πιο δύσκολο όταν αλλάζουν οι υπολογιστικές ανάγκες, όπως σε κέντρα δεδομένων όπου η γενετική τεχνητή νοημοσύνη έχει αυξήσει σημαντικά τον όγκο των δεδομένων που πρέπει να υποβληθούν σε επεξεργασία, με αποτέλεσμα μεγαλύτερη χρήση επεξεργαστών και μνημών.

«Υπήρχε πάντα κάποιο επίπεδο θερμικής ανάλυσης, αλλά έγινε στο τέλος για να ελεγχθεί ότι τίποτα δεν ξέφυγε πολύ», λέει ο Marc Swinnen, διευθυντής μάρκετινγκ προϊόντων στο Ansys. «Θα μπορούσατε να στοχεύσετε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία διασταύρωσης, και αν ήταν συμβατή, ήταν τόσο απλό. Αλλά τώρα με τα συστήματα πολλαπλών καλουπιών, θα πρέπει να το κάνετε αυτό στο στάδιο του σχεδιασμού ορόφων RTL. Θα πρέπει να έχετε κάποια ιδέα για το ποια είναι η ισχύς εξόδου καθενός από αυτά τα τσιπ, έτσι ώστε δύο τσιπ που ζεσταίνονται στον ίδιο τρόπο λειτουργίας να μην τοποθετούνται το ένα δίπλα στο άλλο ή ακριβώς το ένα πάνω στο άλλο . Αυτό θα καταδικάσει το σχέδιό σας».

Πίσω στο σχεδιαστήριο
Καθώς η βιομηχανία αντιμετωπίζει διάφορες προκλήσεις στον ετερογενή οδικό χάρτη ολοκλήρωσης, η θερμική διαχείριση δεν αποτελεί πλέον εκ των υστέρων σκέψη. Έχει μετατοπιστεί προς τα αριστερά στη ροή σχεδίασης μέσω κατασκευής και στο πεδίο όπου οι οθόνες εντός κυκλώματος μπορούν να αξιολογήσουν και να προσαρμόσουν τα πάντα, από την κατάτμηση έως την ιεράρχηση διαφορετικών τσιπ και chiplet.

«Ο διάβολος βρίσκεται στις λεπτομέρειες», λέει ο Φρομ. «Αυτές οι φαινομενικά δευτερεύουσες αποφάσεις σχεδιασμού και ενσωμάτωσης μπορούν να έχουν τεράστιο αντίκτυπο στο αν μπορείτε να δημιουργήσετε αυτό που θέλετε, πολύ λιγότερο να το δημιουργήσετε με απόδοση και αξιοπιστία προϊόντος στη συνέχεια. Η επιλογή των σωστών υλικών, η σκέψη για τα stack ups και η σκέψη για τη ροή της διαδικασίας είναι όλα κρίσιμα.”

Αυτό αντιπροσωπεύει μια θεμελιώδη αλλαγή σε έναν αυξανόμενο αριθμό σχεδίων, από τα κέντρα δεδομένων στα ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης και τα ολοένα και πιο αυτόνομα οχήματα. Καθώς τα ετερογενή στοιχεία συσκευάζονται μαζί σε φαν-άουτ με κολώνες, 2.5D, και ειδικά σε 3D-IC Τα σχέδια, οι θερμικές διαδρομές πρέπει να χαρτογραφούνται με ολοένα και περισσότερες λεπτομέρειες. Εάν γίνει λάθος, αυτό μπορεί να προκαλέσει ζημιά σε μια ολόκληρη συσκευασία γεμάτη με πολλά τσιπ/τσιπέτες, όπου ακόμη και η εύρεση της πηγής του προβλήματος μπορεί να είναι δαπανηρή.

«Υπάρχει ανάγκη σχεδιασμού για τους θερμικούς μηχανικούς περιορισμούς καθώς και για την τεχνολογία υποστρώματος και συναρμολόγησης», λέει ο George Orji, ερευνητής για το Εθνικό Πρόγραμμα Προηγμένης Κατασκευής Συσκευασιών CHIPS (NAPMP). «Η προηγμένη συσκευασία δεν επιτρέπει την επανεπεξεργασία, επομένως οι μονολιθικές μεθοδολογίες σχεδιασμού τσιπ για προηγμένες συσκευασίες είναι κάτι που πρέπει να κάνουμε».

Η πολυπλοκότητα που είναι εγγενής στα ετερογενώς ολοκληρωμένα συστήματα απαιτεί μια διεπιστημονική προσέγγιση στο σχεδιασμό. Αυτό είναι πολύπλοκο πράγμα, και οι προσπάθειες για να λειτουργήσει αυτή η προσέγγιση δεν είναι καινούριες και απέτυχαν ενόψει της επίπεδης κλιμάκωσης. David Fried, εταιρικός αντιπρόεδρος στο Lam Research, είπε κατά τη διάρκεια μιας πρόσφατης συζήτησης σε πάνελ ότι η IBM δοκίμασε την ετερογενή ολοκλήρωση 3D πριν από 25 χρόνια όταν ήταν εκεί. «Σκεφτήκαμε ότι θα μπορούσαμε να συνδυάσουμε πολλά από τα συστατικά της διαδικασίας σε αυτό», είπε. «Αλλά μερικές από τις μεγαλύτερες προκλήσεις ήταν από την πλευρά του σχεδιασμού και του EDA, ο διαχωρισμός της τεχνολογίας που θα χρησιμοποιηθεί, ο τρόπος τμηματοποίησης των διαφορετικών στοιχείων του συστήματος σε διαφορετικά τσιπ και μετά η επιστροφή και η εκ νέου ενσωμάτωσή τους. Ο σχεδιασμός και η βελτιστοποίηση της σχεδίασης πρέπει να είναι εκεί για να λειτουργήσει».

Αυτό που έχει αλλάξει από τότε είναι ότι η βιομηχανία τσιπ έχει ξεμείνει από επιλογές. Γίνεται πολύ ακριβό η ανάπτυξη τσιπ στους πιο προηγμένους κόμβους και περιορίζεται υπερβολικά από το μέγεθος του πλέγματος. Αλλά αυτό είναι ακόμα δύσκολο έργο.

Για την ελάφρυνση του φόρτου των σχεδιαστών, οι συνεργιστικές τεχνικές που περιλαμβάνουν προηγμένες επιστήμες υλικών και εργαλεία σχεδιασμού με τη βοήθεια υπολογιστή είναι όλο και πιο κρίσιμες, ειδικά καθώς οι διαμορφώσεις τσιπ γίνονται πιο περίπλοκες και η ολοκληρωμένη λειτουργικότητα αυξάνεται. «Εδώ έχουμε ακόμα δουλειά να κάνουμε», προσθέτει ο Swinnen της Ansys. «Πώς μπορούμε να το επιλύσουμε αυτό με τρόπο που δεν απαιτεί από κάθε σχεδιαστή να είναι ειδικός στη θερμική και ειδικός στις ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές και ειδικός στα μηχανικά; Δεν είναι ρεαλιστικό να περιμένουμε κάτι τέτοιο από τη σχεδιαστική μας κοινότητα.”

Με αυτούς τους περιορισμούς προκύπτει η ανάγκη για καινοτομία σε αρκετές βασικές πτυχές της διαδικασίας σχεδιασμού. Αναγνωρίζοντας την πολύπλευρη φύση της παραγωγής θερμότητας μέσα σε πυκνά ενσωματωμένα τσιπ, είναι επιτακτική ανάγκη να αντιμετωπιστούν όχι μόνο η σταθερή κατάσταση, αλλά και τα παροδικά θερμικά συμβάντα, τα οποία βασίζονται σε μεγάλο βαθμό σε περιπτώσεις χρήσης ή φόρτους εργασίας. Ο οδικός χάρτης για ετερογενή ενοποίηση περιλαμβάνει στρατηγικές όπως υλικά τρισδιάστατης θερμικής διεπαφής και διανομείς θερμότητας ταιριασμένους με CTE για να διασφαλιστεί η ομοιόμορφη κατανομή της θερμότητας.

«Με πολλαπλές μήτρες, έχετε πολλαπλές πηγές θερμικών επιδράσεων, πολλαπλές μηχανικές κλίσεις και διαβαθμίσεις θερμοκρασίας», λέει ο Manuel Mota, ανώτερος διευθυντής μάρκετινγκ προϊόντων στο Synopsys. «Όλα αυτά πρέπει να αντιμετωπιστούν στη φάση του σχεδιασμού».

Η ενσωμάτωση θερμικών παραμέτρων στη διαδικασία σχεδιασμού είναι μια απαίτηση για την πρακτική υλοποίηση οποιασδήποτε πολύπλοκης συσκευής ημιαγωγών. Δεν είναι μόνο ο εντοπισμός των σωστών υλικών ή εξαρτημάτων. Επίσης, οραματίζεται πώς θα λειτουργήσουν όλοι συλλογικά στο πεδίο.

Καθώς οι μηχανικοί μειώνουν τον παράγοντα μορφής των ηλεκτρονικών συσκευών ενώ αυξάνουν την απόδοσή τους, το θερμικό περίβλημα σφίγγει σημαντικά. Η ολοκληρωμένη διαχείριση των θερμικών προφίλ σε διαφορετικές καταστάσεις λειτουργίας, αξιοποιώντας τα πιο πρόσφατα υλικά διασποράς θερμότητας και θερμικής διεπαφής, είναι απαραίτητη για τη διατήρηση της ακεραιότητας και της απόδοσης της συσκευής κατά τον προβλεπόμενο κύκλο ζωής της.

«Η θερμική είναι ο νούμερο ένα περιορισμός για την πυκνότητα ολοκλήρωσης», λέει ο Swinnen. «Είναι εύκολο να στοιβάζεις τις μάρκες. Μπορείτε να το κατασκευάσετε και μπορείτε να το σχεδιάσετε, αλλά δεν θα λειτουργήσει ποτέ γιατί θα ζεσταθεί πολύ. Έτσι, το θερμικό έχει γίνει κεντρικό μέρος της ανησυχίας κάθε σχεδιαστή τσιπ 3D-IC.”

Η επίλυση της θερμικής πρόκλησης στην ετερογενή ολοκλήρωση απαιτεί τη συναρμολόγηση διαφορετικών υλικών, όπως ημιαγωγών με χαμηλότερο CTE, όπως το πυρίτιο, με μέταλλα όπως ο χαλκός ή το αλουμίνιο, για να διαχέεται αποτελεσματικά η θερμότητα. Δυστυχώς, αυτός ο συνδυασμός υλικών οδηγεί συχνά σε στρέβλωση, ρωγμές, ανύψωση κολλήσεων και αποτυχία συσκευών νωρίτερα από το αναμενόμενο. Απαιτούνται νέα υλικά που να έχουν συμβατές ιδιότητες για να ξεπεραστούν αυτά τα προβλήματα.

«Αυτά τα υλικά υποστρώματος πιθανότατα θα αναπτυχθούν πιο αργά από τα υλικά διεπαφής, τις κόλλες, τις εποξειδικές ουσίες και ούτω καθεξής», λέει ο Fromm. «Αυτό εξαρτάται από τις συνθήκες διαδικασίας και τον τρόπο με τον οποίο τις διαχειρίζεσαι. Εκεί που μπορούμε να είμαστε καλύτεροι από την πλευρά της επεξεργασίας είναι να συνεργαστούμε με τους κατασκευαστές κόλλας για να κατανοήσουμε τις αλλαγές στη θερμοκρασία και, στη συνέχεια, σε επίπεδο σχεδίασης για να κατανοήσουμε πώς μπορούν να εξελιχθούν όλες αυτές οι στοίβες, λαμβάνοντας υπόψη αυτές τις αλλαγές στη θερμοκρασία».

Υλικές καινοτομίες
Οι θερμικές ανησυχίες εκτείνονται πολύ πέρα ​​από τη λειτουργία του τσιπ. Η θερμότητα είναι ένα ζήτημα και από την πλευρά της κατασκευής. Τα τσιπ μέσα σε ένα προηγμένο πακέτο πρέπει να επιβιώσουν κατά τη συναρμολόγηση και την κατασκευή, όπου ορισμένα από τα ίδια ζητήματα CTE μπορεί να γίνουν προβληματικά.

Εξετάστε το συλλογικό καλούπι σε γκοφρέτα (CoD2W), για παράδειγμα, το οποίο χρησιμοποιεί θερμο-συμπιεστική συγκόλληση για να συνδέσει μια μήτρα σε μια γκοφρέτα. «Στη διαδικασία CoD2W, υπάρχουν καταστάσεις όπου διαφορετικές μήτρες προέρχονται από διαφορετικές πηγές και μπορεί να έχουν διαφορετικά ύψη ή διαφορετικά πάχη», λέει ο Rama Puligadda, εκτελεστικός διευθυντής Ε&Α προηγμένων τεχνολογιών στο Brewer Science. «Όταν συμπληρώνεις έναν φορέα με αυτές τις μήτρες, είναι πολύ δύσκολο να γνωρίζεις εάν όλες οι μήτρες θα έρθουν σε επαφή με τον στόχο κατά τη διάρκεια της συγκόλλησης. Οι μηχανικές ιδιότητες της κόλλας προσάρτησης μήτρας έχουν σχεδιαστεί για να επιτρέπουν στην ψηλότερη μήτρα να ενσωματώνεται ελαφρώς κατά τη συγκόλληση, γεγονός που επιτρέπει την καλή επαφή όλων των μήτρων με τη γκοφρέτα στόχο.

Αυτό εγείρει διαφορετικά ζητήματα. «Οι προκλήσεις για τα υλικά μας περιλαμβάνουν περιορισμούς θερμοκρασίας διαφορετικών καλουπιών», είπε ο Puligadda. «Πρέπει να διασφαλίσουμε ότι οι θερμοκρασίες που χρησιμοποιούνται για τη συγκόλληση υλικών δεν υπερβαίνουν τους θερμικούς περιορισμούς οποιουδήποτε από τα τσιπ που ενσωματώνονται στη συσκευασία. Επιπλέον, μπορεί να υπάρξουν κάποιες επακόλουθες διεργασίες όπως ο σχηματισμός στρώματος ανακατανομής ή η χύτευση. Τα υλικά μας πρέπει να επιβιώσουν σε αυτές τις διαδικασίες. Πρέπει να επιβιώσουν από τις χημικές ουσίες με τις οποίες έρχονται σε επαφή καθ' όλη τη διάρκεια του σχεδίου της διαδικασίας συσκευασίας. Οι μηχανικές καταπονήσεις στη συσκευασία προσθέτουν πρόσθετες προκλήσεις για τη συγκόλληση υλικών.»

Μια σειρά υλικών βρίσκεται υπό ανάπτυξη που προσφέρει ανώτερη θερμική αγωγιμότητα καθώς και ηλεκτρική μόνωση. Αυτά τα πρόσφατα κατασκευασμένα υλικά θερμικής διεπαφής (TIMs) παρέχουν αποτελεσματικές διαδρομές αγωγιμότητας θερμότητας μεταξύ ενός τσιπ και του ψυγείου του χωρίς να παρεμβαίνουν στην απόδοση του τσιπ. Τα TIM όχι μόνο διαθέτουν βελτιωμένη θερμική αγωγιμότητα, αλλά καλύπτουν επίσης τις μικρές αποκλίσεις που προκαλούνται από την άνιση παραγωγή θερμότητας στην επιφάνεια του τσιπ.

«Η θερμική διαχείριση θα απαιτήσει νέα θερμικά υλικά, καθώς και νέες τοπολογίες κυκλωμάτων που χρησιμοποιούν προηγμένα υποστρώματα και ετερογενή ολοκλήρωση», λέει ο Orji. «Επειδή τα τσιπ είναι συσκευασμένα τόσο κοντά το ένα στο άλλο, υπάρχει πολύ περιορισμένη ικανότητα διάδοσης υπερβολικής θερμότητας».

Σχήμα 2: Λεπτομερής όψη υλικού θερμικής διεπαφής πολυμερούς φορτωμένου με σωματίδια. Πηγή: Amkor

Στην ιδανική περίπτωση, αυτά τα νέα υλικά θα παρουσιάζουν ισχυρούς ομοιοπολικούς δεσμούς και ισορροπημένες μάζες ανιόντων-κατιόντων, παρόμοια με την απλή ατομική δομή που βρίσκεται στο διαμάντι. Τα αναγνωρισμένα υλικά σε αυτήν την κατηγορία περιλαμβάνουν το διαμάντι, μαζί με ενώσεις όπως το οξείδιο του βηρυλλίου, το νιτρίδιο του αργιλίου, το νιτρίδιο του βορίου και, σε κάποιο βαθμό, το νιτρίδιο του πυριτίου. Παρά τις ικανότητές τους θερμικής αγωγιμότητας, αυτά τα υλικά θέτουν κατασκευαστικές προκλήσεις λόγω των ίδιων των δεσμών που παρέχουν τη δύναμή τους, απαιτώντας, για παράδειγμα, διαδικασίες πυροσυσσωμάτωσης σε υψηλή θερμοκρασία για την επίτευξη της επιθυμητής πυκνότητας. Εξαίρεση αποτελεί το διαμάντι, το οποίο δεν προσφέρεται για πυροσυσσωμάτωση.

Μια προσέγγιση για την αξιοποίηση των πλεονεκτημάτων αυτών των υλικών, παρά τις προκλήσεις επεξεργασίας τους, περιλαμβάνει τη χρήση σύνθετων υλικών. Για παράδειγμα, η ενσωμάτωση νιτριδίου αλουμινίου σε ένα εποξειδικό σύνθετο υλικό αποτυπώνει εν μέρει τα πλεονεκτήματα του θερμικού χειρισμού, αν και δεν θα ταιριάζει με τα επίπεδα αγωγιμότητας ενός αντίστοιχου στερεού κεραμικού. Αυτός ο συνδυασμός ιδιοτήτων υλικού είναι ζωτικής σημασίας στη συσκευασία ηλεκτρονικών ειδών, όπου είναι επιθυμητό να υπάρχει ένας εξαιρετικός ηλεκτρικός αγωγός που αντλεί αρκετή θερμότητα από τους πυρήνες του τσιπ για να αποτρέπει συμβιβασμούς στην απόδοση του σήματος.

Το Diamond, που φημίζεται για την εξαιρετική του σκληρότητα, ξεχωρίζει ως υποδειγματικός θερμικός αγωγός και μονωτήρας. Τα πολυμερή υλικά όπως το τεφλόν (πολυτετραφθοροαιθυλένιο ή PTFE), αν και λιγότερο αγώγιμα από τα κεραμικά ή το διαμάντι, εξακολουθούν να ξεπερνούν πολλά πλαστικά στην ικανότητά τους να μεταφέρουν τη θερμότητα και να προσφέρουν αξιόπιστη ηλεκτρική μόνωση. Το PTFE είναι αρκετά αποτελεσματικό ώστε να χρησιμοποιείται ως υλικά επικάλυψης σε εφαρμογές έντασης θερμότητας όπως τα μαγειρικά σκεύη.

Το γυαλί, η πορσελάνη και άλλα πυκνά κεραμικά μοιράζονται αυτές τις ιδιότητες μόνωσης και αγωγιμότητας θερμότητας. Προσφέρουν πρακτικές λύσεις, ιδιαίτερα σε περιπτώσεις όπου απαιτείται επίσης ένας εξαιρετικός ηλεκτρικός μονωτήρας για τη διαχείριση της θερμότητας. Το νιτρίδιο αλουμινίου (AlN) χρησιμοποιείται ως μονωτήρας σε συσκευές ημιαγωγών, γεφυρώνοντας το χάσμα μεταξύ των καλουπιών και των στοιχείων μεταφοράς θερμότητας. Παρά το γεγονός ότι δεν είναι τόσο θερμικά αγώγιμο όσο το οξείδιο του βηρυλλίου, το AlN προσφέρει μια ασφαλέστερη και πιο οικονομική εναλλακτική λύση. Επιπλέον, το AlN ξεπερνά περισσότερους τυπικούς μονωτές όπως η μαρμαρυγία, το πολυϊμίδιο και η αλουμίνα όσον αφορά τη θερμική διαχείριση.

Το συνθετικό ζαφείρι αξίζει επίσης προσοχή λόγω της οικονομικής του προσιτότητας και της ελατότητάς του σε διάφορες μορφές, καθιστώντας το έναν άλλο πολύτιμο παίκτη στον χώρο συσκευασίας ημιαγωγών. Καθένα από αυτά τα υλικά παρουσιάζει μοναδικά πλεονεκτήματα στο σχεδιασμό συσκευασιών όπου ο έλεγχος της θερμότητας χωρίς να παρεμποδίζεται η ηλεκτρονική απόδοση είναι πρωταρχικής σημασίας.

Ενώ τα προηγμένα υλικά όπως το διαμάντι και το νιτρίδιο του αλουμινίου βρίσκονται στην πρώτη γραμμή της αντιμετώπισης των θερμικών προκλήσεων στις συσκευές ημιαγωγών, δεν απαιτούν όλες οι λύσεις εξωτικά ή άκαμπτα εξαρτήματα. Τα θερμικά γράσα και οι κόλλες χρησιμεύουν ως συνδετικός ιστός στην ηλεκτρονική συσκευασία, γεμίζοντας μικρά κενά ή επιφανειακές ανωμαλίες και διευκολύνοντας τη μεταφορά θερμότητας μεταξύ εξαρτημάτων με διαφορετικές τοπογραφίες. Η ικανότητά τους να συμμορφώνονται με τις επιφάνειες παρέχει ένα κρίσιμο συμπλήρωμα στις πιο στερεές λύσεις θερμικής διαχείρισης, διαμορφώνοντας μια ολοκληρωμένη προσέγγιση για την απαγωγή θερμότητας. Με έμφαση στη βελτίωση αυτών των υλικών, οι ερευνητές στοχεύουν να βελτιώσουν τις ιδιότητες θερμικής αγωγιμότητας τους, καθιστώντας τους πιο αποτελεσματικούς συνεργάτες στο παράδειγμα διαχείρισης θερμότητας.

«Τα θερμικά γράσα και οι θερμικές κόλλες είναι θερμικά αγώγιμα», προσθέτει ο Fromm, «Αλλά σε σύγκριση με υλικά όπως ένα τυπικό κεραμικό που είναι θερμικά αγώγιμα, είναι τρομεροί αγωγοί κατά δέκα φορές. Αυτά τα υλικά δεν είναι τόσο καλά, και υπάρχουν φυσικοί και χημικοί λόγοι. Υπάρχουν πολλά θετικά που πρέπει να επιτευχθούν εκεί, και υπάρχει πολλή δουλειά που συμβαίνει σε αυτόν τον χώρο».

Ατενίζοντας το μέλλον
Καθώς τα νέα υλικά ανοίγουν το δρόμο για θερμική ανακούφιση, αναπτύσσονται καινοτόμες νέες τεχνικές ψύξης. Τα μικρο-κανάλια πυριτίου, τα οποία είναι μονοπάτια μικροκλίμακας χαραγμένα σε υποστρώματα, μπορούν να κατευθύνουν τα ψυκτικά απευθείας στην καρδιά των hotspot. Αυτή η μέθοδος άμεσης ψύξης είναι ανώτερη από τις παραδοσιακές ψύκτρες, αλλά προσφέρει προκλήσεις στο σχεδιασμό, τη συναρμολόγηση και την αξιοπιστία.

Ομοίως, η ανάπτυξη συστημάτων ψύξης υγρού κλειστού βρόχου θα μπορούσε να επιτρέψει στα εξαρτήματα να παραμείνουν δροσερά χωρίς τους περιορισμούς που επιβάλλονται από τις μεθόδους ροής αέρα. Αυτά τα συστήματα προσφέρουν την υπόσχεση για χαμηλότερη θερμοκρασία λειτουργίας χωρίς την απειλή θερμικού στραγγαλισμού, αλλά πρέπει να γίνει πολλή έρευνα τόσο στο σχεδιασμό όσο και στο χειρισμό διεργασιών για συστήματα υγρής ψύξης.

Μια άλλη επιλογή είναι απλώς να αντιστρέψετε τη δομή της στοιβαγμένης μήτρας, έτσι αντί να βάλετε τη μνήμη πάνω από τη λογική, η λογική τοποθετείται πάνω από τη μνήμη με μια ψύκτρα στην κορυφή. Η Winbond, για ένα, το πρότεινε αυτό με την τεχνολογία προσαρμοσμένων στοιχείων εξαιρετικά εύρους ζώνης (CUBE), μια προσέγγιση υψηλής απόδοσης που στοιβάζει το κορυφαίο καλούπι SoC απευθείας στη μνήμη, η οποία στη συνέχεια συνδέεται στο υπόστρωμα χρησιμοποιώντας διόδους πυριτίου. Η προσέγγιση, σύμφωνα με τον CS Lin, στέλεχος μάρκετινγκ στο Winbond, καταναλώνει λιγότερη ενέργεια, η οποία με τη σειρά της μειώνει τη θερμότητα. Επιπλέον, επιτρέπει την άμεση απομάκρυνση της θερμότητας, αντί να τη διοχετεύει μέσα από κάποιο λαβύρινθο ετερογενών συστατικών.

Μια άλλη επιλογή είναι να χρησιμοποιήσετε τη θερμική διαχείριση σε πραγματικό χρόνο, που τροφοδοτείται από AI. Οι αλγόριθμοι μπορούν πλέον να παρακολουθούν τις θερμοκρασίες σε διάφορες τοποθεσίες στο τσιπ, κατευθύνοντας δυναμικά τους πόρους ψύξης, διασφαλίζοντας τη βέλτιστη απόδοση χωρίς να διασχίζουν τη θερμική κόκκινη γραμμή. Η ProteanTecs, για παράδειγμα, μόλις κυκλοφόρησε μια λύση που στοχεύει στο κέντρο δεδομένων που λέει ότι μπορεί να μειώσει την ισχύ στους διακομιστές μειώνοντας την ποσότητα προστατευτικής ζώνης που απαιτείται για την προστασία των τσιπ από υπερθέρμανση. Αυτή η προσέγγιση βασίζεται στην παρακολούθηση των αλλαγών μέσα από ένα τσιπ και στην παροχή προσαρμογών όπως απαιτείται.

Η Synopsys και η Siemens EDA διαθέτουν επίσης λύσεις για την παρακολούθηση διαφορετικών αλλαγών δραστηριότητας και θερμοκρασίας χρησιμοποιώντας εσωτερικούς αισθητήρες. Η δυνατότητα λήψης ενδείξεων από το εσωτερικό ενός πακέτου χρησιμοποιώντας τηλεμετρία είναι ένα όλο και πιο σημαντικό στοιχείο στη διαχείριση της θερμότητας.

«Έχετε τη μηχανική κατασκευή τσιπ σε τσιπ και σε παρεμβολείς με χιλιάδες ή εκατομμύρια μικρο-προσκρούσεις, και όλα διαστέλλονται και συστέλλονται καθώς το τσιπ ζεσταίνεται», προσθέτει ο Swinnen. «Ανάλογα με τον θερμικό σας χάρτη, η ακεραιότητα ισχύος σας θα πρέπει να προσαρμοστεί στο τοπικό προφίλ θερμοκρασίας σε πραγματικό χρόνο. Μπορείτε να υπολογίσετε πόση ισχύ βγάζει ένα τσιπ, αλλά η θερμοκρασία που το φέρνει εξαρτάται. Κάθεται σε ένα κρύο πιάτο ή κάθεται στον ήλιο στη Σαχάρα; Το ίδιο τσιπ και η ίδια δραστηριότητα μπορεί να οδηγήσει σε πολύ διαφορετικές θερμοκρασίες ανάλογα με το περιβάλλον του.»

Επιπλέον, η έρευνα σε υλικά αλλαγής φάσης, τα οποία απορροφούν θερμότητα αλλάζοντας την κατάστασή τους, υπόσχεται παθητική αλλά ισχυρή ρύθμιση της θερμοκρασίας. Επιπλέον, η εξερεύνηση σε συστήματα βιολογικής ψύξης, προσπαθώντας να μιμηθεί την αντίδραση του ανθρώπινου σώματος στη θερμότητα, προμηνύει ένα μέλλον όπου οι συσκευές μας θα μπορούν να διαχέουν τη θερμότητα τόσο διαισθητικά όσο εμείς ιδρώνουμε.

Συμπέρασμα
Καθώς η βιομηχανία ημιαγωγών συνεχίζει να πιέζει τα όρια της απόδοσης και της ολοκλήρωσης, η θερμική διαχείριση σε προηγμένες συσκευασίες παραμένει μια πρόκληση. Από τη μία πλευρά του φάσματος, εμφανίζονται κλιμακούμενες θερμικές πολυπλοκότητες καθώς οι εταιρείες κατευθύνονται προς πιο πυκνά συσκευασμένες μονάδες πολλαπλών τσιπ. Αντίθετα, οι εξελίξεις στις επιστήμες των υλικών και οι καινοτόμες τεχνολογίες ψύξης προσπαθούν να μετριάσουν τη θερμική καταπόνηση που προκύπτει. Και οι δύο απαιτούνται για την αντιμετώπιση σύνθετων θερμικών προκλήσεων, αλλά υπάρχει ακόμη πολλή δουλειά μπροστά για να λυθεί αυτό με συνεπή και προβλέψιμο τρόπο.

- Ο Ed Sperling συνέβαλε σε αυτήν την αναφορά.

Σχετική ανάγνωση
Διαχείριση του θερμικού στρες στα τσιπ
Η ετερογενής ενσωμάτωση και η αυξανόμενη πυκνότητα σε προηγμένους κόμβους δημιουργούν ορισμένες πολύπλοκες και δύσκολες προκλήσεις για την κατασκευή και τη συσκευασία IC.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://semiengineering.com/navigating-heat-in-advanced-packaging/