उन्नत पैकेजिंग में गर्मी को नेविगेट करना

एक पैकेज में कई विषम डाइज़ का एकीकरण मूर के नियम का विस्तार करने और प्रदर्शन, बिजली दक्षता और कार्यक्षमता को बढ़ाने के लिए महत्वपूर्ण है, लेकिन यह थर्मल लोड को प्रबंधित करने के तरीके पर भी महत्वपूर्ण मुद्दे उठा रहा है।

उन्नत पैकेजिंग एक डिवाइस में अधिक सुविधाओं और कार्यों को पैक करने का एक तरीका प्रदान करता है, जो कि रेटिकल-आकार वाले SoC पर अधिक कार्यक्षमता को ठूंसने के लिए केवल डिजिटल सर्किटरी को सिकोड़ने के बजाय विभिन्न घटकों को लंबवत रूप से स्टैक करके करता है। यह प्रदर्शन और शक्ति को अनुकूलित करने के तरीके के बारे में मुद्दे उठाता है। एक ही पासे पर, सिग्नल पथ आवश्यकतानुसार छोटे हो सकते हैं, और सब्सट्रेट गर्मी को नष्ट करने में प्रभावी होता है। लेकिन एक पैकेज में कई डाई के साथ, सिग्नल को यात्रा करने के लिए आवश्यक दूरी को कम करने के लिए सब्सट्रेट्स और डाइलेक्ट्रिक्स को पतला होना आवश्यक है, और यह थर्मल अपव्यय को सीमित करता है।

इससे हॉटस्पॉट बन सकते हैं, जिसका अनुमान लगाना कठिन हो सकता है, विशेष रूप से अलग-अलग कार्यभार और उपयोग के मामलों में। और अलग-अलग थर्मल गुणों वाले कई चिप्स या चिपलेट्स को एक ही पैकेज में एकीकृत करने पर यह और भी खराब हो सकता है।

"जब भी आप किसी सब्सट्रेट या इंटरपोज़र पर एकाधिक डाई डालते हैं, तो यह चुनौतीपूर्ण होता है," विक चौधरी, वरिष्ठ निदेशक, उत्पाद विपणन और व्यवसाय विकास कहते हैं। एमकोर टेक्नोलॉजी. “हम विक्रेताओं को सिर्फ 3 या 4 नहीं, बल्कि 8 या 10 या 12 मरते हुए देख रहे हैं। आप उस गर्मी को चारों ओर कैसे वितरित करते हैं?”

चित्र 1: तापीय युग्मों पर ऊष्मा अपव्यय का अनुकरण। स्रोत: एन्सिस

विषम एकीकरण गर्मी को प्रभावी ढंग से हटाने की क्षमता पर निर्भर करता है, यह सुनिश्चित करते हुए कि एक मॉड्यूल के भीतर घनी रूप से पैक की गई डाई विश्वसनीय संचालन के लिए स्वीकार्य तापमान बनाए रखती है। आईईईई का विषम एकीकरण रोडमैप विकासात्मक आवश्यकता के कई क्षेत्रों की पहचान करता है, जिसमें गर्मी प्रवाह की भविष्यवाणी और प्रबंधन करने के लिए उन्नत मॉडलिंग तकनीक, उच्च तापीय चालकता और कम विद्युत चालकता दोनों के साथ नई सामग्री और उपन्यास शीतलन समाधान शामिल हैं जिन्हें जटिल पैकेजों में सहजता से एकीकृत किया जा सकता है।

थर्मल बेमेल
विषम एकीकरण में थर्मल प्रबंधन के लिए सामग्री विकल्प महत्वपूर्ण हैं। जैसे-जैसे थर्मल विस्तार (सीटीई) के विभिन्न गुणांक वाले घटक गर्म होते हैं और ठंडे होते हैं, ये सामग्रियां अलग-अलग दरों पर फैलती और सिकुड़ती हैं। इससे यांत्रिक तनाव पैदा हो सकता है जो चिप्स की अखंडता से समझौता करता है, उन बॉन्डों को कमजोर करता है जो उन्हें इंटरपोज़र्स या अन्य सबस्ट्रेट्स से जोड़ते हैं, और डिवाइस की समग्र कार्यक्षमता को प्रभावित करते हैं।

समान सीटीई के साथ सामग्रियों को नियोजित करने से इन तनावों को कम करने में मदद मिलती है, समय से पहले विफलता के कुछ जोखिम को कम करने के साथ-साथ अन्य थर्मल प्रेरित प्रभाव, जैसे त्वरित उम्र बढ़ने, कम इलेक्ट्रॉन गतिशीलता, या एनालॉग या ऑप्टिकल सिग्नल में बहाव को कम करने में मदद मिलती है।

"सीटीई शायद उन्नत पैकेजिंग के लिए नंबर एक चुनौती है, और मुझे नहीं लगता कि किसी ने वास्तव में इसे पूरी तरह से समझ लिया है," डेविड फ्रॉम, सीओओ और इंजीनियरिंग के उपाध्यक्ष कहते हैं। प्रोमेक्स इंडस्ट्रीज. “हम सीटीई के साथ त्रि-आयामी पैमाने पर उन तरीकों से काम कर रहे हैं जो हमने पहले कभी नहीं देखा है, और भागों के विकृत होने या टूटने से संबंधित ये मुद्दे वास्तव में चुनौतीपूर्ण हैं। कुछ कंपनियाँ किसी दी गई प्रक्रिया के लिए इसका पता लगा सकती हैं, और फिर सामग्री बदल जाती है, उपकरण का आकार बदल जाता है, और समीकरण बदल जाता है। और फिर आपको इसका फिर से पता लगाना होगा।

सीधे शब्दों में कहें तो, विषम एकीकरण के लिए प्रत्येक सामग्री के थर्मल विस्तार गुणों की मौलिक समझ की आवश्यकता होती है जो अंततः पैक किए गए डिवाइस की विश्वसनीयता और उपज को आकार दे सकती है। और यह समस्या का केवल एक हिस्सा है। उन्नत पैकेजिंग के लिए यह समझने की आवश्यकता होती है कि चिप या चिपलेट के पड़ोस में और क्या है, उन अन्य तत्वों का उपयोग कैसे किया जा रहा है, और उन सभी को एक यथार्थवादी कार्यभार के रूप में उपयोग करके एक साथ मॉडल और सिम्युलेटेड करने की आवश्यकता है। यह समस्या तब और अधिक कठिन हो जाती है जब गणना की आवश्यकताएं बदल जाती हैं, जैसे कि डेटा केंद्रों में जहां जेनरेटिव एआई ने संसाधित किए जाने वाले डेटा की मात्रा में काफी वृद्धि की है, जिसके परिणामस्वरूप प्रोसेसर और मेमोरी का अधिक उपयोग होता है।

उत्पाद विपणन के निदेशक मार्क स्विनन कहते हैं, "हमेशा थर्मल विश्लेषण का कुछ स्तर रहा है, लेकिन यह अंत में सिर्फ यह जांचने के लिए किया गया था कि कुछ भी हाथ से बहुत दूर न चला जाए।" Ans. “आप एक निश्चित जंक्शन तापमान को लक्षित कर सकते हैं, और यदि यह अनुपालन करता है, तो यह इतना आसान है। लेकिन अब मल्टी-डाई सिस्टम के साथ, आपको आरटीएल फ्लोर-प्लानिंग चरण में ऐसा करना होगा। आपको यह जानना होगा कि इनमें से प्रत्येक चिप्स का पावर आउटपुट क्या है ताकि ऑपरेशन के एक ही मोड में गर्म होने वाले दो चिप्स एक-दूसरे के ठीक बगल में या एक-दूसरे के ठीक ऊपर न रखे जाएं। . यह आपके डिज़ाइन को बर्बाद कर देगा।

ड्राइंग बोर्ड पर वापस
चूंकि उद्योग विषम एकीकरण रोडमैप के लिए विभिन्न चुनौतियों से जूझ रहा है, इसलिए थर्मल प्रबंधन अब कोई पूर्व विचार नहीं रह गया है। यह डिज़ाइन-थ्रू-मैन्युफैक्चरिंग प्रवाह में बाईं ओर स्थानांतरित हो गया है, और उस क्षेत्र में बाहर चला गया है जहां इन-सर्किट मॉनिटर विभाजन से लेकर विभिन्न चिप्स और चिपलेट्स की प्राथमिकता तक हर चीज का आकलन और समायोजन कर सकते हैं।

फ्रॉम कहते हैं, ''शैतान विवरण में है।'' “ये प्रतीत होता है कि मामूली डिजाइन और एकीकरण निर्णय इस बात पर जबरदस्त प्रभाव डाल सकते हैं कि आप जो चाहते हैं उसे बना भी सकते हैं या नहीं, इसे उपज और उत्पाद की विश्वसनीयता के साथ डाउनस्ट्रीम में बनाना तो दूर की बात है। सही सामग्री चुनना, स्टैक अप के बारे में सोचना और प्रक्रिया प्रवाह के बारे में सोचना सभी महत्वपूर्ण हैं।

यह डेटा सेंटर से लेकर उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स और तेजी से स्वायत्त वाहनों तक, डिज़ाइन की बढ़ती संख्या में एक मौलिक बदलाव का प्रतिनिधित्व करता है। जैसे कि विषमांगी तत्वों को एक साथ पैक किया जाता है प्रशंसक बहिष्कार खंभों के साथ, 2.5D, और विशेष रूप से में 3 डी-आईसी डिज़ाइन, थर्मल पथों को अधिक से अधिक विस्तार से मैप करने की आवश्यकता है। गलत होने पर, इससे कई चिप्स/चिपलेट्स से भरे पूरे पैकेज को नुकसान हो सकता है, जहां समस्या का स्रोत ढूंढना भी महंगा हो सकता है।

चिप्स नेशनल एडवांस्ड पैकेजिंग मैन्युफैक्चरिंग प्रोग्राम (एनएपीएमपी) के अनुसंधान वैज्ञानिक जॉर्ज ओरजी कहते हैं, "थर्मल मैकेनिकल बाधाओं के साथ-साथ सब्सट्रेट और असेंबली तकनीक के लिए डिजाइन करने की आवश्यकता है।" "उन्नत पैकेजिंग दोबारा काम करने की अनुमति नहीं देती है, इसलिए उन्नत पैकेजिंग के लिए मोनोलिथिक चिप डिजाइन पद्धति कुछ ऐसी चीज है जिसे हमें करने की आवश्यकता है।"

विविध रूप से एकीकृत प्रणालियों में निहित जटिलता डिजाइन के लिए बहु-विषयक दृष्टिकोण की मांग करती है। यह जटिल चीज़ है, और इस दृष्टिकोण को कार्यान्वित करने के प्रयास नए नहीं हैं, और यह समतल स्केलिंग के सामने विफल रहा। डेविड फ्राइड, कॉर्पोरेट उपाध्यक्ष लाम अनुसंधानने हाल ही में एक पैनल चर्चा के दौरान कहा कि आईबीएम ने 3 साल पहले 25डी विषम एकीकरण की कोशिश की थी जब वह वहां थे। उन्होंने कहा, "हमने सोचा कि हम इसमें कई प्रक्रिया घटकों को एक साथ जोड़ सकते हैं।" “लेकिन कुछ सबसे बड़ी चुनौतियाँ डिज़ाइन और ईडीए पक्ष पर थीं, यह विभाजन करना कि किस तकनीक का उपयोग करना है, सिस्टम के विभिन्न घटकों को अलग-अलग चिप्स पर कैसे विभाजित करना है, और फिर वापस जाकर उन्हें फिर से एकीकृत करना है। इसे कार्यान्वित करने के लिए डिज़ाइन और डिज़ाइन का अनुकूलन होना आवश्यक है।''

तब से जो बदलाव आया है वह यह है कि चिप उद्योग के पास विकल्प खत्म हो गए हैं। सबसे उन्नत नोड्स पर चिप्स विकसित करना बहुत महंगा होता जा रहा है, और रेटिकल के आकार के कारण यह बहुत सीमित होता जा रहा है। लेकिन ये अभी भी मुश्किल काम है.

डिजाइनरों पर बोझ को कम करने के लिए, उन्नत सामग्री विज्ञान और कंप्यूटर-एडेड डिज़ाइन टूल से जुड़ी सहक्रियात्मक तकनीकें तेजी से महत्वपूर्ण होती जा रही हैं, खासकर जब चिप कॉन्फ़िगरेशन अधिक जटिल हो जाता है और एकीकृत कार्यक्षमता बढ़ जाती है। "यह वह जगह है जहां हमें अभी भी काम करना है," एन्सिस के स्विनन कहते हैं। “हम इसे इस तरह से कैसे हल करें कि प्रत्येक डिजाइनर को थर्मल में विशेषज्ञ और विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप में विशेषज्ञ और मैकेनिकल में विशेषज्ञ होने की आवश्यकता न हो? हमारे डिज़ाइन समुदाय से ऐसी अपेक्षा करना अवास्तविक है।"

इन बाधाओं के साथ डिजाइन प्रक्रिया के कई प्रमुख पहलुओं में नवाचार की आवश्यकता आती है। सघन रूप से एकीकृत चिप्स के भीतर गर्मी उत्पादन की बहुआयामी प्रकृति को पहचानते हुए, न केवल स्थिर-अवस्था, बल्कि क्षणिक थर्मल घटनाओं को भी संबोधित करना जरूरी है, जो काफी हद तक उपयोग-मामलों या कार्यभार पर आधारित हैं। विषम एकीकरण के रोडमैप में समान ताप वितरण सुनिश्चित करने के लिए 3डी थर्मल इंटरफ़ेस सामग्री और सीटीई-मिलान वाले हीट स्प्रेडर्स जैसी रणनीतियाँ शामिल हैं।

वरिष्ठ उत्पाद विपणन प्रबंधक मैनुअल मोटा कहते हैं, "एकाधिक मृत्यु के साथ, आपके पास थर्मल प्रभाव, कई यांत्रिक ग्रेडिएंट और तापमान ग्रेडिएंट के कई स्रोत होते हैं।" Synopsys. "इस सब पर डिज़ाइन चरण में ध्यान दिया जाना चाहिए।"

किसी भी जटिल अर्धचालक उपकरण के व्यावहारिक कार्यान्वयन के लिए डिजाइन प्रक्रिया में थर्मल विचारों को एकीकृत करना एक आवश्यकता है। यह केवल सही सामग्रियों या घटकों की पहचान करने के बारे में नहीं है। यह भी कल्पना की जा रही है कि वे सभी क्षेत्र में सामूहिक रूप से कैसे कार्य करेंगे।

जैसे-जैसे इंजीनियर अपने प्रदर्शन को बढ़ाते हुए इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के फॉर्म फैक्टर को कम करते हैं, थर्मल लिफाफा काफी मजबूत हो जाता है। विभिन्न परिचालन स्थितियों में थर्मल प्रोफाइल का व्यापक प्रबंधन, नवीनतम हीट स्प्रेडर और थर्मल इंटरफ़ेस सामग्रियों का लाभ उठाते हुए, अपने इच्छित जीवनचक्र पर डिवाइस की अखंडता और प्रदर्शन को बनाए रखने के लिए आवश्यक हो जाता है।

स्विनन कहते हैं, "एकीकरण घनत्व के लिए थर्मल नंबर एक सीमा है।" “चिप्स को जमा करना आसान है। आप इसका निर्माण कर सकते हैं और इसे डिज़ाइन कर सकते हैं, लेकिन यह कभी काम नहीं करेगा क्योंकि यह बहुत गर्म हो जाएगा। इसलिए थर्मल प्रत्येक 3डी-आईसी चिप डिजाइनर की चिंता का एक केंद्रीय हिस्सा बन गया है।"

विषम एकीकरण में थर्मल चुनौती को हल करने के लिए विभिन्न सामग्रियों को एक साथ रखने की आवश्यकता होती है, जैसे कम सीटीई वाले अर्धचालक, जैसे सिलिकॉन, तांबे या एल्यूमीनियम जैसी धातुओं के साथ, गर्मी को प्रभावी ढंग से खत्म करने के लिए। दुर्भाग्य से, सामग्रियों के इस मिश्रण से अक्सर विकृति, दरारें, सोल्डर बंप उठना और उपकरण अपेक्षा से पहले विफल हो जाते हैं। नई सामग्रियों की आवश्यकता है जिनमें इन मुद्दों को दूर करने के लिए संगत गुण हों।

फ्रॉम कहते हैं, "ये सब्सट्रेट सामग्री संभवतः इंटरफ़ेस सामग्री, चिपकने वाले, एपॉक्सी इत्यादि की तुलना में अधिक धीरे-धीरे विकसित होंगी।" “यह परिस्थितियों को संसाधित करने और आप उन्हें कैसे प्रबंधित करते हैं, इस पर निर्भर करता है। जहां हम प्रसंस्करण के मामले में बेहतर हो सकते हैं, वह तापमान में बदलाव को समझने के लिए चिपकने वाले निर्माताओं के साथ काम करना है, और फिर डिजाइन स्तर पर अपस्ट्रीम में यह समझना है कि तापमान में उन परिवर्तनों को ध्यान में रखते हुए ये सभी स्टैक कैसे विकसित हो सकते हैं।

भौतिक नवाचार
थर्मल संबंधी चिंताएँ केवल चिप के संचालन से कहीं आगे तक फैली हुई हैं। विनिर्माण क्षेत्र में भी गर्मी एक मुद्दा है। एक उन्नत पैकेज के अंदर चिप्स को असेंबली और विनिर्माण में जीवित रहना पड़ता है, जहां कुछ समान सीटीई मुद्दे समस्याग्रस्त हो सकते हैं।

उदाहरण के लिए, सामूहिक डाई-टू-वेफर (CoD2W) पर विचार करें, जो डाई को वेफर से जोड़ने के लिए थर्मो-कम्प्रेशन बॉन्डिंग का उपयोग करता है। उन्नत प्रौद्योगिकी अनुसंधान एवं विकास के कार्यकारी निदेशक राम पुलिगड्डा कहते हैं, "सीओडी2डब्ल्यू प्रक्रिया में, ऐसी स्थितियां होती हैं जहां अलग-अलग स्रोतों से अलग-अलग डाई आती हैं, और उनकी अलग-अलग ऊंचाई या अलग-अलग मोटाई हो सकती है।" शराब बनानेवाला विज्ञान. “जब आप किसी वाहक को इन डाइज़ से भर देते हैं, तो यह जानना बहुत मुश्किल होता है कि बॉन्डिंग के दौरान सभी डाइज़ लक्ष्य के साथ संपर्क बनाएंगे या नहीं। डाई-अटैच चिपकने वाले के यांत्रिक गुणों को बॉन्डिंग के दौरान लम्बे डाई को थोड़ा एम्बेड करने की अनुमति देने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जो लक्ष्य वेफर के साथ सभी डाई के अच्छे संपर्क को सक्षम बनाता है।

इससे अलग-अलग मुद्दे उठते हैं. पुलिगड्डा ने कहा, "हमारी सामग्रियों के लिए चुनौतियों में विभिन्न डाई की तापमान सीमाएं शामिल हैं।" “हमें यह सुनिश्चित करना होगा कि बॉन्डिंग सामग्री के लिए उपयोग किया जाने वाला तापमान पैकेज में एकीकृत किए जा रहे किसी भी चिप्स की थर्मल सीमाओं से अधिक न हो। इसके अतिरिक्त, कुछ बाद की प्रक्रियाएँ भी हो सकती हैं जैसे पुनर्वितरण परत निर्माण या मोल्डिंग। हमारी सामग्रियों को उन प्रक्रियाओं में जीवित रहना होगा। उन्हें पैकेजिंग प्रक्रिया योजना के दौरान संपर्क में आने वाले रसायनों से बचना होगा। पैकेज में यांत्रिक तनाव बॉन्डिंग सामग्री के लिए अतिरिक्त चुनौतियाँ जोड़ता है।

सामग्रियों की एक श्रृंखला विकास में है जो बेहतर तापीय चालकता के साथ-साथ विद्युत इन्सुलेशन भी प्रदान करती है। ये नव इंजीनियर थर्मल इंटरफ़ेस सामग्री (टीआईएम) चिप के प्रदर्शन में हस्तक्षेप किए बिना चिप और उसके कूलर के बीच कुशल ताप संचालन मार्ग प्रदान करते हैं। टीआईएम न केवल बेहतर तापीय चालकता का दावा करते हैं, बल्कि चिप की सतह पर असमान ताप उत्पादन से प्रेरित सूक्ष्म भिन्नताओं को भी पूरा करते हैं।

ओरजी कहते हैं, "थर्मल प्रबंधन के लिए नए थर्मल सामग्रियों के साथ-साथ नए सर्किट टोपोलॉजी की आवश्यकता होगी जो उन्नत सब्सट्रेट्स और विषम एकीकरण को नियोजित करते हैं।" "चूंकि चिप्स एक-दूसरे के बहुत करीब पैक किए जाते हैं, इसलिए अतिरिक्त गर्मी फैलाने की क्षमता बहुत सीमित होती है।"

चित्र 2: कण-युक्त पॉलिमर थर्मल इंटरफ़ेस सामग्री का विस्तृत दृश्य। स्रोत: अम्कोर

आदर्श रूप से, ये नई सामग्रियां हीरे में पाई जाने वाली सीधी परमाणु संरचना के समान मजबूत सहसंयोजक बंधन और संतुलित आयन-धनायन द्रव्यमान प्रदर्शित करेंगी। इस श्रेणी में मान्यता प्राप्त सामग्रियों में हीरे के साथ-साथ बेरिलियम ऑक्साइड, एल्यूमीनियम नाइट्राइड, बोरॉन नाइट्राइड और कुछ हद तक सिलिकॉन नाइट्राइड जैसे यौगिक शामिल हैं। अपनी तापीय चालकता क्षमताओं के बावजूद, ये सामग्रियां उन बंधनों के कारण विनिर्माण चुनौतियों का सामना करती हैं जो उनकी ताकत प्रदान करते हैं, उदाहरण के लिए, वांछित घनत्व प्राप्त करने के लिए उच्च तापमान वाली सिंटरिंग प्रक्रियाओं की आवश्यकता होती है। एक अपवाद हीरा है, जो सिंटरिंग के लिए उपयुक्त नहीं है।

प्रसंस्करण चुनौतियों के बावजूद, इन सामग्रियों के लाभों का दोहन करने के एक दृष्टिकोण में कंपोजिट का उपयोग शामिल है। उदाहरण के लिए, एक एपॉक्सी मिश्रित के भीतर एल्यूमीनियम नाइट्राइड को शामिल करने से आंशिक रूप से थर्मल हैंडलिंग लाभ प्राप्त होता है, हालांकि यह ठोस सिरेमिक समकक्ष के चालकता स्तर से मेल नहीं खाएगा। भौतिक गुणों का यह मिश्रण इलेक्ट्रॉनिक्स पैकेजिंग में महत्वपूर्ण है, जहां एक उत्कृष्ट विद्युत कंडक्टर होना वांछनीय है जो सिग्नल प्रदर्शन में समझौता को रोकने के लिए चिप कोर से पर्याप्त गर्मी खींचता है।

हीरा, जो अपनी अत्यधिक कठोरता के लिए जाना जाता है, एक अनुकरणीय थर्मल कंडक्टर और इन्सुलेटर के रूप में जाना जाता है। टेफ्लॉन (पॉलीटेट्राफ्लुओरोएथिलीन, या पीटीएफई) जैसी पॉलिमर सामग्री, हालांकि सिरेमिक या हीरे की तुलना में कम प्रवाहकीय होती है, फिर भी गर्मी का संचालन करने और विश्वसनीय विद्युत इन्सुलेशन प्रदान करने की अपनी क्षमता में कई प्लास्टिक से आगे निकल जाती है। पीटीएफई कुकवेयर जैसे गर्मी-गहन अनुप्रयोगों में कोटिंग सामग्री के रूप में नियोजित करने के लिए पर्याप्त प्रभावी है।

कांच, चीनी मिट्टी के बरतन और अन्य घने सिरेमिक इन इन्सुलेशन और गर्मी संचालन गुणों को साझा करते हैं। वे व्यावहारिक समाधान बनाते हैं, खासकर ऐसे मामलों में जहां गर्मी को प्रबंधित करने के लिए एक उत्कृष्ट विद्युत इन्सुलेटर की भी आवश्यकता होती है। एल्यूमीनियम नाइट्राइड (AlN) का उपयोग अर्धचालक उपकरणों में एक इन्सुलेटर के रूप में किया जाता है, जो डाई और गर्मी हस्तांतरण घटकों के बीच के अंतर को पाटता है। बेरिलियम ऑक्साइड जितना तापीय प्रवाहकीय नहीं होने के बावजूद, AlN एक सुरक्षित और अधिक लागत प्रभावी विकल्प प्रदान करता है। इसके अतिरिक्त, AlN थर्मल प्रबंधन के संबंध में अभ्रक, पॉलीमाइड और एल्यूमिना जैसे अधिक मानक इंसुलेटर से आगे निकल जाता है।

सिंथेटिक नीलम अपनी सामर्थ्य और विभिन्न रूपों में लचीलेपन के कारण भी ध्यान आकर्षित करता है, जो इसे सेमीकंडक्टर पैकेजिंग क्षेत्र में एक और मूल्यवान खिलाड़ी बनाता है। इनमें से प्रत्येक सामग्री पैकेजों के डिजाइन में अद्वितीय लाभ प्रस्तुत करती है जहां इलेक्ट्रॉनिक प्रदर्शन में बाधा डाले बिना गर्मी को नियंत्रित करना सर्वोपरि है।

जबकि हीरे और एल्यूमीनियम नाइट्राइड जैसी उन्नत सामग्री अर्धचालक उपकरणों में थर्मल चुनौतियों से निपटने में सबसे आगे हैं, सभी समाधानों के लिए विदेशी या कठोर घटकों की आवश्यकता नहीं होती है। थर्मल ग्रीस और चिपकने वाले इलेक्ट्रॉनिक पैकेजिंग में संयोजी ऊतक के रूप में काम करते हैं, छोटे अंतराल या सतह की अनियमितताओं को भरते हैं और विभिन्न स्थलाकृति वाले घटकों के बीच गर्मी हस्तांतरण की सुविधा प्रदान करते हैं। सतहों के अनुरूप होने की उनकी क्षमता अधिक ठोस थर्मल प्रबंधन समाधानों के लिए एक महत्वपूर्ण पूरक प्रदान करती है, जो गर्मी अपव्यय के लिए एक व्यापक दृष्टिकोण बनाती है। इन सामग्रियों में सुधार पर ध्यान देने के साथ, शोधकर्ताओं का लक्ष्य उनकी तापीय चालकता गुणों को बढ़ाना है, जिससे वे ताप प्रबंधन प्रतिमान में अधिक प्रभावी भागीदार बन सकें।

"थर्मल ग्रीस और थर्मल चिपकने वाले थर्मल रूप से प्रवाहकीय होते हैं," फ्रॉम कहते हैं, "लेकिन एक विशिष्ट सिरेमिक जैसी सामग्रियों की तुलना में जो थर्मल रूप से प्रवाहकीय होते हैं, वे दस के कारक से भयानक कंडक्टर होते हैं। ये सामग्रियां उतनी अच्छी नहीं हैं, और इसके भौतिक और रासायनिक कारण हैं। वहां हासिल करने के लिए बहुत कुछ है और उस क्षेत्र में बहुत काम हो रहा है।''

आगे देख रहा
चूँकि नई सामग्रियाँ तापीय राहत का मार्ग प्रशस्त करती हैं, नवीन नवीन शीतलन तकनीकें भी विकास में हैं। सिलिकॉन माइक्रो-चैनल, जो सब्सट्रेट्स में खोदे गए सूक्ष्म-पैमाने के रास्ते हैं, शीतलक को सीधे हॉटस्पॉट के केंद्र तक पहुंचा सकते हैं। यह प्रत्यक्ष शीतलन विधि पारंपरिक हीटसिंक से बेहतर है लेकिन डिजाइन, असेंबली और विश्वसनीयता में चुनौतियां पेश करती है।

इसी तरह, बंद-लूप तरल शीतलन प्रणालियों का विकास घटकों को वायु प्रवाह विधियों द्वारा लगाए गए बाधाओं के बिना ठंडा रहने की अनुमति दे सकता है। ये सिस्टम थर्मल थ्रॉटलिंग के खतरे के बिना ठंडे परिचालन तापमान का वादा करते हैं, लेकिन तरल शीतलन प्रणालियों के डिजाइन और प्रक्रिया प्रबंधन दोनों में बहुत शोध किया जाना बाकी है।

एक अन्य विकल्प केवल स्टैक्ड डाई की संरचना को उल्टा करना है, इसलिए मेमोरी को तर्क के शीर्ष पर रखने के बजाय, तर्क को मेमोरी के शीर्ष पर हीट सिंक के साथ रखा जाता है। उदाहरण के लिए, विनबॉन्ड ने अपनी अनुकूलित अल्ट्रा-बैंडविड्थ एलिमेंट्स (सीयूबीई) तकनीक के साथ इसका सुझाव दिया, एक उच्च-प्रदर्शन दृष्टिकोण जो एसओसी टॉप डाई को सीधे मेमोरी में स्टैक करता है, जिसे बाद में थ्रू-सिलिकॉन विअस का उपयोग करके सब्सट्रेट से जोड़ा जाता है। दृष्टिकोण, सीएस लिन के अनुसार, विपणन कार्यकारी Winbond, कम बिजली का उपयोग करता है, जिसके परिणामस्वरूप गर्मी कम हो जाती है। इसके अलावा, यह गर्मी को विषम घटकों के कुछ भूलभुलैया के माध्यम से प्रसारित करने के बजाय सीधे हटाने की अनुमति देता है।

एक अन्य विकल्प एआई द्वारा संचालित वास्तविक समय थर्मल प्रबंधन का उपयोग करना है। एल्गोरिदम अब विभिन्न ऑन-चिप स्थानों पर तापमान की निगरानी कर सकते हैं, शीतलन संसाधनों को गतिशील रूप से निर्देशित कर सकते हैं, थर्मल लाल रेखा को पार किए बिना इष्टतम प्रदर्शन सुनिश्चित कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, ProteanTecs ने हाल ही में डेटा सेंटर के लिए एक समाधान पेश किया है, जिसके बारे में उसका कहना है कि चिप्स को ओवरहीटिंग से बचाने के लिए आवश्यक गार्ड-बैंडिंग की मात्रा को कम करके सर्वर में पावर को कम किया जा सकता है। यह दृष्टिकोण चिप के भीतर से परिवर्तनों की निगरानी करने और आवश्यकतानुसार समायोजन प्रदान करने पर निर्भर करता है।

सिनोप्सिस और सीमेंस ईडीए के पास आंतरिक सेंसर का उपयोग करके विभिन्न गतिविधि और तापमान परिवर्तनों की निगरानी करने के लिए समाधान भी हैं। टेलीमेट्री का उपयोग करके पैकेज के अंदर से रीडआउट प्राप्त करने में सक्षम होना गर्मी के प्रबंधन में एक महत्वपूर्ण घटक है।

स्विनन कहते हैं, "आपके पास चिप्स पर और इंटरपोज़र्स पर हजारों या लाखों माइक्रो-बंप के साथ चिप्स का यांत्रिक निर्माण होता है, और चिप के गर्म होने पर वे सभी विस्तारित और सिकुड़ते हैं।" “आपके थर्मल मानचित्र के आधार पर, आपकी शक्ति अखंडता को वास्तविक समय में स्थानीय तापमान प्रोफ़ाइल के अनुकूल होना होगा। आप गणना कर सकते हैं कि एक चिप कितनी बिजली पैदा कर रही है, लेकिन यह उस तापमान पर निर्भर करता है जो इसे लाता है। क्या यह ठंडी थाली में बैठा है, या सहारा में धूप में बैठा है? एक ही चिप और एक ही गतिविधि से उसके परिवेश के आधार पर बहुत अलग तापमान हो सकता है।

इसके अतिरिक्त, चरण-परिवर्तन सामग्रियों पर शोध, जो अपनी स्थिति को बदलकर गर्मी को अवशोषित करते हैं, निष्क्रिय लेकिन शक्तिशाली तापमान विनियमन का वादा करते हैं। इससे भी अधिक, गर्मी के प्रति मानव शरीर की प्रतिक्रिया की नकल करने की कोशिश करते हुए, जैविक शीतलन प्रणालियों की खोज एक ऐसे भविष्य की ओर इशारा करती है जहां हमारे उपकरण उतनी ही सहजता से गर्मी को नष्ट कर सकते हैं जितना कि हम पसीना बहाते हैं।

निष्कर्ष
जैसे-जैसे सेमीकंडक्टर उद्योग प्रदर्शन और एकीकरण की सीमाओं को आगे बढ़ा रहा है, उन्नत पैकेजिंग के भीतर थर्मल प्रबंधन एक चुनौती बनी हुई है। स्पेक्ट्रम के एक तरफ, बढ़ती तापीय जटिलताएँ उभर कर सामने आ रही हैं क्योंकि कंपनियाँ अधिक सघनता से भरे मल्टी-चिप मॉड्यूल की ओर बढ़ रही हैं। इसके विपरीत, भौतिक विज्ञान और नवीन शीतलन प्रौद्योगिकियों में प्रगति परिणामी थर्मल तनाव को कम करने का प्रयास करती है। जटिल तापीय चुनौतियों से निपटने के लिए दोनों की आवश्यकता है, लेकिन इसे सुसंगत और पूर्वानुमानित तरीके से हल करने के लिए अभी भी बहुत काम बाकी है।

- एड स्पर्लिंग ने इस रिपोर्ट में योगदान दिया।

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• स्रोत: https://semiengineering.com/navigating-heat-in-advanced-packaging/