Kuumuse navigeerimine täiustatud pakendis

Mitme heterogeense stantsi integreerimine paketti on Moore'i seaduse laiendamise ja jõudluse, energiatõhususe ja funktsionaalsuse suurendamise jaoks ülioluline, kuid see tõstatab ka olulisi probleeme soojuskoormuse haldamisel.

Täiustatud pakend pakub võimalust pakkida seadmesse rohkem funktsioone ja funktsioone, järjest enam virnastades erinevaid komponente vertikaalselt, mitte lihtsalt vähendades digitaalset vooluringi, et toppida võresuurusele SoC-le rohkem funktsioone. See tekitab probleeme jõudluse ja võimsuse optimeerimise kohta. Ühel stantsil võivad signaaliteed olla nii lühikesed kui vaja ja substraat hajutab tõhusalt soojust. Kuid kui pakendis on mitu stantsi, peavad substraadid ja dielektrikud olema õhemad, et vähendada signaalide läbimiseks vajalikku kaugust ja see piirab soojuse hajumist.

See võib põhjustada levialasid, mida võib olla raske ennustada, eriti erineva töökoormuse ja kasutusjuhtude korral. Ja seda saab veelgi hullemaks muuta, kui integreerida ühte paketti mitu erineva termilise omadusega kiipi või kiibi.

"Iga kord, kui paned aluspinnale või vahevormile mitu stantsi, on see keeruline," ütleb Vik Chaudhry, ettevõtte tooteturunduse ja äriarenduse vanemdirektor. Amkor tehnoloogia. „Me näeme, kuidas müüjad ei pane mitte ainult 3 või 4, vaid 8 või 10 või 12 surma. Kuidas te seda soojust kõikjale jagate?

Joonis 1: Soojuse hajumise simuleerimine soojuspaaridel. Allikas: Ansys

Heterogeenne integratsioon sõltub võimest tõhusalt soojust eemaldada, tagades, et mooduli sees olevad tihedalt pakitud stantsid hoiavad usaldusväärseks tööks vastuvõetavaid temperatuure. IEEE heterogeense integratsiooni teekaart tuvastab mitu arenguvajadust, sealhulgas täiustatud modelleerimistehnikad soojusvoo prognoosimiseks ja juhtimiseks, uued materjalid, millel on kõrge soojusjuhtivus ja madal elektrijuhtivus, ja uudsed jahutuslahendused, mida saab sujuvalt integreerida keerulistesse pakettidesse.

Termiline mittevastavus
Materjalivalikud on heterogeense integratsiooni soojusjuhtimise jaoks kriitilised. Kuna erinevate soojuspaisumisteguritega (CTE) komponendid soojenevad ja jahtuvad, paisuvad ja tõmbuvad need materjalid kokku erineva kiirusega. See võib põhjustada mehaanilisi pingeid, mis kahjustavad kiipide terviklikkust, nõrgendavad sidemeid, mis ühendavad neid interposerite või muude substraatidega, ja mõjutavad seadme üldist funktsionaalsust.

Sarnaste CTE-dega materjalide kasutamine aitab neid pingeid vähendada, vähendades osa enneaegse rikke riski, aga ka muid termiliselt indutseeritud mõjusid, nagu kiirenenud vananemine, vähenenud elektronide liikuvus või analoog- või optiliste signaalide triiv.

"CTE on tõenäoliselt arenenud pakendamise väljakutse number üks ja ma ei usu, et keegi on sellest täielikult aru saanud," ütleb David Fromm, COO ja inseneriosakonna asepresident. Promex Industries. "Me tegeleme CTE-ga kolmemõõtmelisel skaalal viisil, mida me pole kunagi varem näinud, ja need osade kõverdumise või purunemisega seotud probleemid on tõeliselt keerulised. Mõned ettevõtted võivad selle konkreetse protsessi jaoks välja mõelda ja seejärel muutuvad materjalid, muutuvad seadmete suurused ja võrrand. Ja siis peate selle uuesti välja mõtlema."

Lihtsamalt öeldes nõuab heterogeenne integreerimine põhimõttelist arusaamist iga materjali soojuspaisumisomadustest, mis võivad lõpuks kujundada pakendatud seadme töökindluse ja tootlikkuse. Ja see on vaid osa probleemist. Täiustatud pakendamine nõuab arusaamist sellest, mis on kiibi või kiibi läheduses, kuidas neid teisi elemente kasutatakse, ning seda kõike tuleb koos modelleerida ja simuleerida, kasutades eeldatavalt realistlikku töökoormust. See probleem muutub palju keerulisemaks, kui arvutusvajadused muutuvad, näiteks andmekeskustes, kus generatiivne AI on oluliselt suurendanud töödeldavate andmete hulka, mille tulemuseks on protsessorite ja mälude suurem kasutamine.

"Alati on teatud tasemel termiline analüüs tehtud, kuid seda tehti lõpus lihtsalt selleks, et kontrollida, et miski ei läheks liiga kaugele käest," ütleb Marc Swinnen, ettevõtte tooteturunduse direktor. Ansys. „Võite sihtida teatud ristmiku temperatuuri ja kui see oli nõuetele vastav, oli see nii lihtne. Kuid nüüd, kui kasutate mitme stantsiga süsteeme, peate seda tegema RTL-i põrandate planeerimise etapis. Peate omama aimu iga kiibi väljundvõimsusest, et kaks kiipi, mis samal töörežiimil kuumaks lähevad, ei asuks kõrvuti või üksteise peale. . See hävitab teie disaini."

Tagasi joonistuslaua juurde
Kuna tööstus maadleb heterogeense integratsiooni tegevuskavaga seotud erinevate väljakutsetega, pole soojusjuhtimine enam tagamõte. See on disaini-tootmise voos nihkunud vasakule ja väljapoole, kus vooluringisisesed monitorid saavad hinnata ja kohandada kõike alates partitsioonidest kuni erinevate kiipide ja kiipide prioriseerimiseni.

"Kurat peitub detailides," ütleb Fromm. „Need näiliselt väikesed disaini- ja integreerimisotsused võivad avaldada tohutut mõju sellele, kas saate isegi ehitada seda, mida soovite, ja veelgi vähem, et ehitada see tootlikkuse ja toote töökindlusega allavoolu. Õigete materjalide valimine, virnastamise peale mõtlemine ja protsessi voolule mõtlemine on kõik kriitilise tähtsusega.

See kujutab endast põhjapanevat nihet üha suuremas arvus disainilahendustes, alates andmekeskustest kuni olmeelektroonika ja üha autonoomsemate sõidukiteni. Kuna heterogeensed elemendid on kokku pakitud ventilaatorid sammastega, 2.5D, ja eriti sisse 3D-IC projekteerimisel tuleb soojusteed järjest üksikasjalikumalt kaardistada. Kui see on valesti tehtud, võib see kahjustada tervet mitme kiibi/kiibiga täidetud pakendit, kus isegi probleemi allika leidmine võib olla kulukas.

"On vaja kavandada termilised mehaanilised piirangud, samuti substraadi ja montaažitehnoloogia," ütleb George Orji, CHIPSi riikliku täiustatud pakenditootmisprogrammi (NAPMP) teadur. "Täiustatud pakend ei võimalda ümbertöödelda, seega on meil vaja täiustatud pakendite monoliitsete kiipide kujundamise metoodikat."

Heterogeenselt integreeritud süsteemidele omane keerukus nõuab multidistsiplinaarset lähenemist disainile. See on keeruline värk ja katsed seda lähenemisviisi toimima panna ei ole uued ja see ebaõnnestus tasapinnalise skaleerimise tõttu. David Fried, ettevõtte asepresident aadressil Lam Research, ütles hiljutisel paneeldiskussioonil, et IBM proovis 3D heterogeenset integratsiooni 25 aastat tagasi, kui ta seal viibis. "Arvasime, et saame selles palju protsessi komponente kokku panna," ütles ta. "Kuid mõned suurimad väljakutsed olid disaini ja EDA poolel, eraldades, millist tehnoloogiat kasutada, kuidas segmenteerida süsteemi erinevaid komponente erinevatel kiipidel ja seejärel minna tagasi ja need uuesti integreerida. Disain ja disaini optimeerimine peavad olema olemas, et see toimiks.

Sellest ajast saadik on muutunud see, et kiibitööstusel on valikuvõimalused otsa saanud. Kiipide arendamine kõige arenenumates sõlmedes on muutumas liiga kulukaks ja seda piirab liiga võre suurus. Kuid see on ikkagi raske töö.

Disainerite koormuse leevendamiseks on sünergilised tehnikad, mis hõlmavad arenenud materjaliteadusi ja arvutipõhiseid projekteerimisvahendeid, üha olulisemaks, eriti kuna kiibi konfiguratsioonid muutuvad keerukamaks ja integreeritud funktsionaalsus suureneb. "Siin on meil veel tööd teha," lisab Ansys' Swinnen. „Kuidas me seda lahendada viisil, mis ei nõua, et iga projekteerija oleks soojuse, elektromagnetiliste häirete ja mehaaniliste häirete ekspert? Meie disainikogukonnalt on seda ebareaalne oodata.

Nende piirangutega kaasneb vajadus uuenduste järele mitmes disainiprotsessi võtmeaspektis. Tunnistades soojuse tootmise mitmetahulisust tihedalt integreeritud kiipides, on hädavajalik käsitleda mitte ainult püsiseisundit, vaid ka mööduvaid soojussündmusi, mis põhinevad suuresti kasutusjuhtudel või töökoormusel. Heterogeense integratsiooni tegevuskava sisaldab selliseid strateegiaid nagu 3D termilise liidese materjalid ja CTE-ga sobitatud soojusjaoturid, et tagada ühtlane soojusjaotus.

"Mitme stantsi korral on teil mitu termilise efekti allikat, mitu mehaanilist gradienti ja temperatuurigradienti," ütleb ettevõtte vanem toote turundusjuht Manuel Mota. Synopsys. "Kõike seda tuleb käsitleda projekteerimisetapis."

Termiliste kaalutluste integreerimine projekteerimisprotsessi on nõue mis tahes keeruka pooljuhtseadme praktiliseks realiseerimiseks. See ei seisne ainult õigete materjalide või komponentide tuvastamises. See näeb ette ka seda, kuidas nad kõik selles valdkonnas ühiselt toimivad.

Kuna insenerid vähendavad elektroonikaseadmete vormitegurit, suurendades samal ajal nende jõudlust, pinguldub termiline ümbris märkimisväärselt. Soojusprofiilide igakülgne haldamine erinevates tööolekutes, kasutades uusimaid soojusjaoturi ja termilise liidese materjale, muutub oluliseks seadme terviklikkuse ja jõudluse säilitamiseks kogu selle kavandatud elutsükli jooksul.

"Soojus on integratsioonitiheduse piirang number üks, " ütleb Swinnen. “Kiipe on lihtne virna laduda. Saate seda toota ja kujundada, kuid see ei tööta kunagi, kuna see läheb liiga kuumaks. Seega on soojusest saanud iga 3D-IC kiibidisaineri mure keskne osa.

Termilise väljakutse lahendamine heterogeenses integratsioonis nõuab erinevate materjalide, näiteks madalama CTE-ga pooljuhtide (nt räni) kokkupanemist metallidega nagu vask või alumiinium, et tõhusalt hajutada soojust. Kahjuks põhjustab selline materjalide segu sageli väändumist, pragusid, jootemuhkude tõusmist ja seadmete rikkeid oodatust varem. Nende probleemide lahendamiseks on vaja uusi materjale, millel on ühilduvad omadused.

"Need substraadimaterjalid arenevad tõenäoliselt aeglasemalt kui liidese materjalid, liimid, epoksiidid ja nii edasi," ütleb Fromm. "See taandub protsessitingimustele ja sellele, kuidas te neid haldate. Töötlemise poolel saame paremini töötada liimitootjatega, et mõista temperatuurimuutusi, ja seejärel projekteerimise tasemel ülesvoolu, et mõista, kuidas kõik need virnad võivad neid temperatuurimuutusi arvesse võttes areneda.

Materjali uuendused
Termilised probleemid ulatuvad palju kaugemale ainult kiibi tööst. Kuumus on probleem ka tootmise poolel. Täiustatud pakendis olevad kiibid peavad üle elama koostamise ja valmistamise, kus mõned samad CTE probleemid võivad muutuda problemaatiliseks.

Mõelge näiteks kollektiivsele stantsile vahvlile (CoD2W), mis kasutab stantsi vahvli külge kinnitamiseks termopressimist. "CoD2W protsessis on olukordi, kus erinevad stantsid pärinevad erinevatest allikatest ja võivad olla erineva kõrgusega või erineva paksusega," ütleb Rama Puligadda, arenenud tehnoloogiate uurimis- ja arendustegevuse tegevdirektor. Pruuliteadus. "Kui asustate kanduri nende matriitidega, on väga raske teada, kas kõik matriitsid puutuvad liimimise ajal sihtmärgiga kokku. Stantsikinnitusliimi mehaanilised omadused on loodud nii, et kõrgemal matriitsil saaks liimimise ajal veidi kinnituda, mis võimaldab kõikidel matriitidel hea kontakti sihtplaadiga.

See tõstatab erinevaid probleeme. "Meie materjalidega seotud väljakutsed hõlmavad erinevate stantside temperatuuripiiranguid, " ütles Puligadda. „Peame tagama, et materjalide liimimiseks kasutatavad temperatuurid ei ületaks ühegi pakendisse integreeritava kiibi termilisi piiranguid. Lisaks võivad toimuda mõned järgnevad protsessid, nagu ümberjaotuskihi moodustumine või vormimine. Meie materjalid peavad need protsessid üle elama. Nad peavad kogu pakkimisprotsessi jooksul kokku puutunud kemikaalidega üle elama. Pakendis esinevad mehaanilised pinged lisavad materjalide sidumisele täiendavaid väljakutseid.

Arendamisel on rida materjale, mis pakuvad suurepärast soojusjuhtivust ja elektriisolatsiooni. Need äsja konstrueeritud termilise liidese materjalid (TIM-id) tagavad tõhusa soojusjuhtivuse kiibi ja selle jahuti vahel, ilma et see mõjutaks kiibi jõudlust. TIM-idel pole mitte ainult paranenud soojusjuhtivus, vaid need vastavad ka väikestele erinevustele, mis on põhjustatud ebaühtlasest soojuse tekkest kiibi pinnal.

"Soojusjuhtimine nõuab uusi soojusmaterjale ja uudseid vooluahela topoloogiaid, mis kasutavad täiustatud substraate ja heterogeenset integratsiooni, " ütleb Orji. "Kuna laastud on pakitud üksteisele nii lähedale, on liigse soojuse levitamise võimalus väga piiratud."

Joonis 2: osakestega koormatud polümeeri termilise liidese materjali detailvaade. Allikas: Amkor

Ideaalis on nendel uutel materjalidel tugevad kovalentsed sidemed ja tasakaalustatud aniooni-katioonide massid, mis on sarnased teemandis leiduva lihtsa aatomistruktuuriga. Selle kategooria tunnustatud materjalide hulka kuuluvad teemant koos selliste ühenditega nagu berülliumoksiid, alumiiniumnitriid, boornitriid ja teatud määral räninitriid. Hoolimata nende soojusjuhtivusvõimest, valmistavad need materjalid tootmise väljakutseid just nende tugevust tagavate sidemete tõttu, mistõttu on soovitud tiheduse saavutamiseks vaja näiteks kõrgtemperatuurseid paagutamisprotsesse. Erandiks on teemant, mis ei sobi paagutamiseks.

Üks lähenemisviis nende materjalide eeliste ärakasutamiseks, hoolimata nende töötlemisprobleemidest, hõlmab komposiitide kasutamist. Näiteks alumiiniumnitriidi lisamine epoksükomposiidi sisse hõlmab osaliselt termilise käitlemise eeliseid, kuigi see ei vasta tahke keraamilise vaste juhtivuse tasemetele. See materjalide omaduste segu on ülioluline elektroonikapakendite puhul, kus on soovitav omada suurepärast elektrijuhti, mis tõmbab kiibi südamikest piisavalt soojust eemale, et vältida signaali jõudluses kompromisse.

Teemant, mida tähistatakse oma äärmise kõvaduse poolest, paistab silma eeskujuliku soojusjuhi ja isolaatorina. Polümeersed materjalid, nagu teflon (polütetrafluoroetüleen või PTFE), kuigi on vähem juhtivad kui keraamika või teemant, ületavad siiski paljusid plastmassi oma soojusjuhtimise ja usaldusväärse elektriisolatsiooni poolest. PTFE on piisavalt tõhus, et seda saaks kasutada kattematerjalina intensiivsetes rakendustes, nagu kööginõud.

Klaasil, portselanil ja muul tihedal keraamikal on need isoleerivad ja soojusjuhtivusomadused. Need pakuvad praktilisi lahendusi, eriti juhtudel, kui soojuse juhtimiseks on vaja ka suurepärast elektriisolaatorit. Alumiiniumnitriidi (AlN) kasutatakse pooljuhtseadmetes isolaatorina, silludes stantside ja soojusülekande komponentide vahel. Vaatamata sellele, et AlN ei ole nii soojusjuhtiv kui berülliumoksiid, pakub see ohutumat ja kulutõhusamat alternatiivi. Lisaks ületab AlN soojusjuhtimise osas standardsemaid isolaatoreid, nagu vilgukivi, polüimiid ja alumiiniumoksiid.

Sünteetiline safiir väärib tähelepanu ka selle taskukohasuse ja mitmesuguste vormide vormitavuse tõttu, mistõttu on see pooljuhtide pakendamise valdkonnas veel üks väärtuslik mängija. Kõigil neil materjalidel on ainulaadsed eelised pakendite disainis, kus kuumuse juhtimine ilma elektroonilist jõudlust takistamata on ülimalt oluline.

Kuigi täiustatud materjalid, nagu teemant ja alumiiniumnitriid, on pooljuhtseadmete termiliste probleemide lahendamisel esirinnas, ei vaja kõik lahendused eksootilisi või jäikaid komponente. Termilised määrded ja liimid toimivad sidekoena elektroonilistes pakendites, täites väikesed tühimikud või pinna ebatasasused ning hõlbustades soojusülekannet erineva topograafiaga komponentide vahel. Nende võime kohaneda pindadega on oluline täiendus tugevamatele soojusjuhtimislahendustele, moodustades tervikliku lähenemisviisi soojuse hajumisele. Nende materjalide täiustamisele keskendudes püüavad teadlased parandada nende soojusjuhtivuse omadusi, muutes need soojusjuhtimise paradigmas tõhusamaks partneriks.

"Soojusmäärded ja termoliimid on soojust juhtivad," lisab Fromm, "aga võrreldes selliste materjalidega nagu tüüpiline keraamika, mis on soojust juhtiv, on need kümnekordselt kohutavad juhid. Need materjalid ei ole nii head ja sellel on füüsikalised ja keemilised põhjused. Seal on palju positiivseid tulemusi ja selles ruumis tehakse palju tööd.

tulevikku
Kuna uued materjalid sillutavad teed termilisele leevendusele, on väljatöötamisel ka uuenduslikud uued jahutustehnikad. Ränist mikrokanalid, mis on substraatidesse söövitatud mikroskaala teed, võivad suunata jahutusvedelikud otse levialade südamesse. See otsejahutusmeetod on parem kui traditsioonilised jahutusradiaatorid, kuid pakub väljakutseid disaini, kokkupaneku ja töökindluse osas.

Samamoodi võib suletud ahelaga vedelikjahutussüsteemide väljatöötamine võimaldada komponentidel jääda jahedaks ilma õhuvoolu meetodite poolt kehtestatud piiranguteta. Need süsteemid pakuvad jahedamat töötemperatuuri ilma termilise drosseli ohuta, kuid nii vedelikjahutussüsteemide projekteerimisel kui ka protsesside käitlemisel tuleb teha palju uuringuid.

Teine võimalus on lihtsalt virnastatud matriitsi struktuur ümber pöörata, nii et selle asemel, et panna mälu loogika peale, asetatakse loogika mälu kohale ja peal on jahutusradiaator. Näiteks Winbond soovitas seda oma kohandatud üliribalaiusega elementide (CUBE) tehnoloogiaga, mis on suure jõudlusega lähenemisviis, mis virnastab SoC ülemise matriitsi otse mällu, mis seejärel kinnitatakse põhimiku külge läbi räni kaudu. Lähenemisviis, vastavalt CS Lin, turundusjuht at Winbond, kasutab vähem energiat, mis omakorda vähendab soojust. Lisaks võimaldab see soojust otse eemaldada, mitte juhtida seda läbi heterogeensete komponentide labürindi.

Teine võimalus on kasutada AI-l töötavat reaalajas soojusjuhtimist. Algoritmid saavad nüüd jälgida temperatuure erinevates kiibil asuvates asukohtades, suunates jahutusressursse dünaamiliselt, tagades optimaalse jõudluse ilma punast termilist joont ületamata. Näiteks ProteanTecs tõi just välja andmekeskusele suunatud lahenduse, mis võib tema sõnul vähendada serverite võimsust, vähendades kiipide ülekuumenemise eest kaitsmiseks vajalikku kaitseriba. See lähenemisviis tugineb kiibis toimuvate muutuste jälgimisele ja vajaduse korral kohanduste tegemisele.

Synopsysil ja Siemens EDA-l on ka lahendused erinevate aktiivsus- ja temperatuurimuutuste jälgimiseks sisemiste andurite abil. Telemeetria abil pakendi seest näitude hankimine on soojuse haldamisel üha olulisem komponent.

"Teil on kiipide mehaaniline konstruktsioon kiipidel ja tuhandete või miljonite mikromuhkidega interposeritel ning need kõik laienevad ja tõmbuvad kokku, kui kiip soojeneb," lisab Swinnen. "Sõltuvalt teie soojuskaardist peab teie võimsuse terviklikkus kohanema reaalajas kohaliku temperatuuriprofiiliga. Saate arvutada, kui palju võimsust kiip välja annab, kuid see, millise temperatuurini see viib, sõltub. Kas see istub külmal taldrikul või istub see Saharas päikese käes? Sama kiip ja sama tegevus võivad sõltuvalt ümbritsevast keskkonnast põhjustada väga erinevaid temperatuure.

Lisaks lubavad uuringud faasimuutusmaterjalide kohta, mis neelavad soojust oma olekut muutes, passiivset, kuid tõhusat temperatuuri reguleerimist. Veelgi enam, bioloogiliste jahutussüsteemide uurimine, püüdes matkida inimkeha reaktsiooni kuumusele, ennustab tulevikku, kus meie seadmed suudavad soojust hajutada sama intuitiivselt kui meie higistame.

Järeldus
Kuna pooljuhtide tööstus jätkab jõudluse ja integratsiooni piiride nihutamist, jääb täiustatud pakendite soojusjuhtimine endiselt väljakutseks. Spektri ühel küljel ilmnevad kasvavad termilised keerukused, kui ettevõtted liiguvad tihedamalt pakitud mitme kiibiga moodulite poole. Vastupidi, materjaliteaduste ja uuenduslike jahutustehnoloogiate edusammud püüavad leevendada tekkivat termilist pinget. Mõlemad on vajalikud keeruliste soojusprobleemide lahendamiseks, kuid selle järjepideva ja prognoositava lahendamise nimel on veel palju tööd.

— Ed Sperling osales selle raporti koostamisel.

Seotud lugemine
Termilise indutseeritud stressi juhtimine kiipides
Heterogeenne integratsioon ja arenenud sõlmede tiheduse suurenemine tekitavad IC-tootmise ja pakendamise jaoks keerukaid ja raskeid väljakutseid.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://semiengineering.com/navigating-heat-in-advanced-packaging/