Навигация по теплу в усовершенствованной упаковке

Интеграция нескольких разнородных кристаллов в корпус имеет решающее значение для расширения закона Мура и повышения производительности, энергоэффективности и функциональности, но также поднимает серьезные проблемы, связанные с управлением тепловой нагрузкой.

Усовершенствованная упаковка предоставляет возможность объединить больше возможностей и функций в устройстве, все чаще за счет вертикального расположения различных компонентов, а не простого сжатия цифровых схем, чтобы втиснуть больше функциональности в SoC размером с прицельную марку. Это поднимает вопросы о том, как оптимизировать производительность и мощность. На одном кристалле пути прохождения сигнала могут быть настолько короткими, насколько это необходимо, а подложка эффективно рассеивает тепло. Но при наличии нескольких кристаллов в корпусе подложки и диэлектрики должны быть тоньше, чтобы уменьшить расстояние, которое необходимо пройти сигналу, а это ограничивает рассеивание тепла.

Это может привести к появлению горячих точек, которые трудно предсказать, особенно при различных рабочих нагрузках и вариантах использования. И ситуация может усугубиться при объединении нескольких чипов или чиплетов с разными тепловыми свойствами в один корпус.

«Каждый раз, когда вы помещаете несколько штампов на подложку или интерпозер, это сложно», — говорит Вик Чаудри, старший директор по маркетингу продукции и развитию бизнеса компании Амкор Технологии. «Мы видим, как поставщики ставят не просто 3 или 4, а 8, 10 или 12 кубиков. Как вы распределяете это тепло повсюду?»

Рис. 1: Моделирование тепловыделения на термопарах. Источник: Ансис

Гетерогенная интеграция зависит от способности эффективно отводить тепло, гарантируя, что плотно упакованные матрицы внутри модуля поддерживают приемлемые температуры для надежной работы. Дорожная карта гетерогенной интеграции IEEE определяет несколько областей, требующих развития, включая передовые методы моделирования для прогнозирования и управления тепловым потоком, новые материалы как с высокой теплопроводностью, так и с низкой электропроводностью, а также новые решения для охлаждения, которые можно легко интегрировать в сложные пакеты.

Тепловое несоответствие
Выбор материала имеет решающее значение для управления температурным режимом в гетерогенной интеграции. Поскольку компоненты с разными коэффициентами теплового расширения (КТР) нагреваются и охлаждаются, эти материалы расширяются и сжимаются с разной скоростью. Это может вызвать механические напряжения, которые нарушают целостность чипов, ослабляют связи, соединяющие их с переходниками или другими подложками, и влияют на общую функциональность устройства.

Использование материалов с аналогичным КТР помогает снизить эти напряжения, частично снижая риск преждевременного выхода из строя, а также другие термические эффекты, такие как ускоренное старение, снижение подвижности электронов или дрейф аналоговых или оптических сигналов.

«CTE, вероятно, является проблемой номер один для современной упаковки, и я не думаю, что кто-то действительно понял это до конца», — говорит Дэвид Фромм, главный операционный директор и вице-президент по разработке в компании Промекс Индастриз. «Мы имеем дело с CTE в трехмерном масштабе способами, с которыми мы никогда раньше не сталкивались, и эти проблемы с деформацией или поломкой деталей действительно сложны. Некоторые компании могут выяснить это для конкретного процесса, а затем материалы меняются, размеры устройств меняются, и уравнение меняется. И тогда вам придется разобраться во всем снова».

Проще говоря, гетерогенная интеграция требует фундаментального понимания свойств теплового расширения каждого материала, что в конечном итоге может повлиять на надежность и производительность упакованного устройства. И это только часть проблемы. Расширенная упаковка требует понимания того, что еще находится рядом с чипом или чиплетом, как используются эти другие элементы, и все это необходимо моделировать и симулировать вместе, используя то, что, как ожидается, будет реалистичной рабочей нагрузкой. Эта проблема значительно усложняется, когда меняются потребности в вычислениях, например, в центрах обработки данных, где генеративный ИИ значительно увеличивает объем данных, которые необходимо обрабатывать, что приводит к более высокому использованию процессоров и памяти.

«Всегда проводился некоторый уровень термического анализа, но он проводился в конце просто для того, чтобы убедиться, что ничего не выходит из-под контроля», — говорит Марк Суиннен, директор по маркетингу продукции в компании. Ansys. «Вы могли настроить определенную температуру перехода, и если она соответствовала требованиям, все было так просто. Но теперь, когда речь идет о системах с несколькими кристаллами, вам придется делать это на этапе планирования этажа RTL. Вам нужно будет иметь некоторое представление о выходной мощности каждого из этих чипов, чтобы два чипа, которые нагреваются в одном и том же режиме работы, не располагались рядом друг с другом или прямо друг над другом. . Это обречет ваш дизайн».

Вернуться к доске для рисования
Поскольку отрасль сталкивается с различными проблемами на пути гетерогенной интеграции, управление температурным режимом больше не является второстепенной мыслью. Он сместился влево в процессе проектирования и производства в область, где внутрисхемные мониторы могут оценивать и корректировать все, от разделения на разделы до определения приоритетов различных микросхем и чиплетов.

«Дьявол кроется в деталях», — говорит Фромм. «Эти, казалось бы, незначительные решения по проектированию и интеграции могут оказать огромное влияние на то, сможете ли вы вообще создать то, что хотите, не говоря уже о том, чтобы создать это с производительностью и надежностью продукта в дальнейшем. Выбор правильных материалов, продумывание компоновки и продумывание процесса — все это имеет решающее значение».

Это представляет собой фундаментальный сдвиг во все большем количестве проектов: от центров обработки данных до бытовой электроники и все более автономных транспортных средств. Поскольку разнородные элементы упакованы вместе в разветвления со столбами, 2.5D, и особенно в 3D-ИС При проектировании тепловые пути необходимо планировать более подробно. Если все сделано неправильно, это может привести к повреждению всего пакета, состоящего из нескольких чипов/чиплетов, причем даже поиск источника проблемы может оказаться дорогостоящим.

«Необходимо разработать термомеханические ограничения, а также подложку и технологию сборки», — говорит Джордж Орджи, научный сотрудник Национальной программы перспективного производства упаковки CHIPS (NAPMP). «Усовершенствованная упаковка не допускает переработок, поэтому нам необходимо разработать монолитные методологии проектирования чипов для усовершенствованной упаковки».

Сложность, присущая гетерогенно интегрированным системам, требует междисциплинарного подхода к проектированию. Это сложная вещь, и попытки заставить этот подход работать не новы, и они потерпели неудачу перед лицом планарного масштабирования. Дэвид Фрид, корпоративный вице-президент компании Lam Research, сказал во время недавней групповой дискуссии, что IBM пробовала 3D-гетерогенную интеграцию 25 лет назад, когда он был там. «Мы думали, что сможем объединить в нем множество компонентов процесса», — сказал он. «Но некоторые из самых больших проблем касались дизайна и EDA: определение того, какую технологию использовать, как сегментировать различные компоненты системы на разных чипах, а затем вернуться и реинтегрировать их. Чтобы это работало, необходим дизайн и его оптимизация».

Что изменилось с тех пор, так это то, что у индустрии чипов закончились варианты. Разработка чипов на самых совершенных узлах становится слишком дорогой и слишком ограничена размером прицельной сетки. Но это все еще трудная работа.

Чтобы облегчить нагрузку на проектировщиков, все большее значение приобретают синергетические методы, включающие передовые науки о материалах и инструменты компьютерного проектирования, особенно по мере того, как конфигурации микросхем становятся более сложными, а интегрированная функциональность увеличивается. «Здесь нам еще есть над чем поработать», — добавляет Суиннен из Ansys. «Как нам решить эту проблему таким образом, чтобы не требовать от каждого проектировщика быть экспертом в области тепловых технологий, экспертом в области электромагнитных помех и экспертом в механике? Нереально ожидать этого от нашего дизайнерского сообщества».

Эти ограничения приводят к необходимости инноваций в нескольких ключевых аспектах процесса проектирования. Признавая многогранный характер тепловыделения внутри плотно интегрированных микросхем, крайне важно учитывать не только стационарные, но и переходные тепловые явления, которые в значительной степени основаны на сценариях использования или рабочих нагрузках. Дорожная карта гетерогенной интеграции включает в себя такие стратегии, как материалы 3D-термоинтерфейса и распределители тепла, соответствующие CTE, для обеспечения равномерного распределения тепла.

«При наличии нескольких штампов у вас есть несколько источников тепловых эффектов, множество механических градиентов и температурных градиентов», — говорит Мануэль Мота, старший менеджер по маркетингу продукции компании Synopsys. «Все это должно быть учтено на этапе проектирования».

Интеграция тепловых соображений в процесс проектирования является обязательным требованием для практической реализации любого сложного полупроводникового устройства. Речь идет не только о выборе подходящих материалов или компонентов. Также предполагается, как все они будут коллективно действовать на местах.

Поскольку инженеры уменьшают форм-фактор электронных устройств, одновременно повышая их производительность, тепловая оболочка значительно сужается. Комплексное управление тепловыми профилями в различных рабочих состояниях с использованием новейших материалов для теплоотводов и термоинтерфейсов становится необходимым для поддержания целостности и производительности устройства в течение его предполагаемого жизненного цикла.

«Тепловая температура — это ограничение номер один для плотности интеграции», — говорит Суиннен. «Легко складывать фишки. Вы можете изготовить его и спроектировать, но он никогда не сработает, потому что станет слишком горячим. Таким образом, тепловая обработка стала центральной частью забот каждого разработчика 3D-чипов».

Решение тепловой проблемы при гетерогенной интеграции требует объединения различных материалов, таких как полупроводники с более низким КТР, таких как кремний, с такими металлами, как медь или алюминий, для эффективного рассеивания тепла. К сожалению, такое сочетание материалов часто приводит к короблению, трещинам, подъему припоя и выходу устройств из строя раньше, чем ожидалось. Для решения этих проблем необходимы новые материалы, обладающие совместимыми свойствами.

«Эти материалы подложки, вероятно, будут развиваться медленнее, чем материалы интерфейса, клеи, эпоксидные смолы и т. д.», — говорит Фромм. «Все сводится к условиям процесса и тому, как вы ими управляете. Где мы можем быть лучше на стороне обработки, так это работать с производителями клея, чтобы понять изменения температуры, а затем на уровне проектирования, чтобы понять, как все эти пакеты могут развиваться с учетом этих изменений температуры».

Материальные инновации
Проблемы с температурой выходят далеко за рамки просто работы чипа. Нагрев также является проблемой для производства. Чипы в усовершенствованном корпусе должны выдержать сборку и производство, где некоторые из тех же проблем с CTE могут стать проблематичными.

Возьмем, к примеру, коллективную технологию «матрица-пластина» (CoD2W), в которой для прикрепления кристалла к пластине используется термокомпрессионное соединение. «В процессе CoD2W бывают ситуации, когда разные матрицы поступают из разных источников и могут иметь разную высоту или разную толщину», — говорит Рама Пулигадда, исполнительный директор по исследованиям и разработкам передовых технологий в компании. Наука пивовара. «Когда вы заполняете носитель этими кубиками, очень сложно узнать, войдут ли все кубики в контакт с целью во время соединения. Механические свойства клея для крепления кристалла разработаны таким образом, чтобы позволить более высокому кристаллу слегка внедряться во время склеивания, что обеспечивает хороший контакт всех кристаллов с целевой пластиной».

Это поднимает разные вопросы. «Проблемы с нашими материалами включают температурные ограничения различных штампов», — сказал Пулигадда. «Мы должны гарантировать, что температуры, используемые для склеивания материалов, не превышают тепловые ограничения любого из чипов, встраиваемых в корпус. Кроме того, могут быть некоторые последующие процессы, такие как формирование перераспределительного слоя или формование. Наши материалы должны пережить эти процессы. Им приходится выдерживать воздействие химикатов, с которыми они контактируют на протяжении всего процесса упаковки. Механические напряжения в упаковке создают дополнительные проблемы для склеивания материалов».

В настоящее время разрабатывается ряд материалов, обеспечивающих превосходную теплопроводность и электрическую изоляцию. Эти недавно разработанные материалы термоинтерфейса (TIM) обеспечивают эффективные пути теплопроводности между чипом и его охладителем, не влияя на производительность чипа. TIM не только обладают улучшенной теплопроводностью, но и компенсируют малейшие отклонения, вызванные неравномерным выделением тепла по поверхности чипа.

«Для управления температурой потребуются новые тепловые материалы, а также новые топологии схем, в которых используются современные подложки и гетерогенная интеграция», — говорит Орджи. «Поскольку чипы расположены так близко друг к другу, способность рассеивать избыточное тепло очень ограничена».

Рис. 2: Детальный вид полимерного термоинтерфейсного материала, содержащего частицы. Источник: Амкор

В идеале эти новые материалы будут демонстрировать прочные ковалентные связи и сбалансированные анион-катионные массы, подобные несложной атомной структуре алмаза. К признанным материалам этой категории относятся алмаз, а также такие соединения, как оксид бериллия, нитрид алюминия, нитрид бора и, в некоторой степени, нитрид кремния. Несмотря на свою теплопроводность, эти материалы создают проблемы при производстве из-за тех самых связей, которые обеспечивают их прочность, что требует, например, процессов высокотемпературного спекания для достижения желаемой плотности. Исключением является алмаз, который не поддается спеканию.

Один из подходов к использованию преимуществ этих материалов, несмотря на проблемы с их обработкой, включает использование композитов. Например, включение нитрида алюминия в эпоксидный композит частично обеспечивает преимущества термообработки, хотя и не будет соответствовать уровням проводимости твердого керамического аналога. Такое сочетание свойств материалов имеет решающее значение в корпусе электроники, где желательно иметь отличный электрический проводник, который отводит достаточно тепла от ядер чипа, чтобы предотвратить ухудшение качества сигнала.

Алмаз, известный своей чрезвычайной твердостью, является образцовым проводником тепла и изолятором. Полимерные материалы, такие как тефлон (политетрафторэтилен или ПТФЭ), хотя и менее проводящие, чем керамика или алмаз, все же превосходят многие пластики по способности проводить тепло и обеспечивают надежную электрическую изоляцию. ПТФЭ достаточно эффективен, чтобы его можно было использовать в качестве материала покрытия в теплоемких изделиях, таких как кухонная посуда.

Стекло, фарфор и другая плотная керамика обладают такими же изоляционными и теплопроводными свойствами. Они представляют собой практические решения, особенно в тех случаях, когда для управления теплом также требуется отличный электрический изолятор. Нитрид алюминия (AlN) используется в качестве изолятора в полупроводниковых устройствах, заполняя зазор между кристаллами и компонентами теплопередачи. Несмотря на то, что AlN не так теплопроводен, как оксид бериллия, он предлагает более безопасную и экономичную альтернативу. Кроме того, AlN превосходит более стандартные изоляторы, такие как слюда, полиимид и оксид алюминия, в отношении терморегулирования.

Синтетический сапфир также заслуживает внимания из-за своей доступности и пластичности в различных формах, что делает его еще одним ценным игроком в области упаковки полупроводников. Каждый из этих материалов представляет уникальные преимущества при разработке корпусов, где контроль тепла без ухудшения работы электронных устройств имеет первостепенное значение.

Хотя передовые материалы, такие как алмаз и нитрид алюминия, находятся на переднем крае решения тепловых проблем в полупроводниковых устройствах, не все решения требуют экзотических или жестких компонентов. Термопасты и клеи служат соединительной тканью в электронной упаковке, заполняя небольшие зазоры или неровности поверхности и облегчая передачу тепла между компонентами с различной топографией. Их способность прилегать к поверхностям является важным дополнением к более надежным решениям по управлению температурным режимом, формируя комплексный подход к рассеиванию тепла. Сосредоточив внимание на совершенствовании этих материалов, исследователи стремятся улучшить их теплопроводность, делая их более эффективными партнерами в парадигме управления теплом.

«Термопасты и термоклеи являются теплопроводными», — добавляет Фромм, — «Но по сравнению с такими теплопроводящими материалами, как обычная керамика, они в десять раз ужасные проводники. Эти материалы не так уж хороши, и тому есть физические и химические причины. Здесь есть много возможностей для достижения успеха, и в этой области ведется большая работа».

Забегая вперед
Поскольку новые материалы открывают путь к снижению температуры, также разрабатываются новые инновационные методы охлаждения. Кремниевые микроканалы, представляющие собой микроканалы, выгравированные на подложках, могут направлять охлаждающую жидкость непосредственно в самые горячие точки. Этот метод прямого охлаждения превосходит традиционные радиаторы, но создает проблемы с дизайном, сборкой и надежностью.

Аналогичным образом, разработка систем жидкостного охлаждения с замкнутым контуром может позволить компонентам оставаться холодными без ограничений, налагаемых методами воздушного потока. Эти системы обещают более низкую рабочую температуру без угрозы теплового регулирования, но предстоит провести много исследований как в проектировании, так и в технологическом процессе систем жидкостного охлаждения.

Другой вариант — просто перевернуть структуру составного кристалла, чтобы вместо размещения памяти поверх логики логика помещалась поверх памяти с радиатором сверху. Компания Winbond, например, предложила это с помощью своей технологии настраиваемых элементов со сверхширокой полосой пропускания (CUBE) — высокопроизводительного подхода, при котором верхний кристалл SoC устанавливается непосредственно в память, которая затем прикрепляется к подложке с помощью сквозных кремниевых переходов. По словам К.С. Лина, руководителя отдела маркетинга компании Winbond, потребляет меньше энергии, что, в свою очередь, снижает нагрев. Кроме того, это позволяет отводить тепло напрямую, а не направлять его через некий лабиринт разнородных компонентов.

Другой вариант — использовать управление температурным режимом в реальном времени на базе искусственного интеллекта. Алгоритмы теперь могут отслеживать температуру в различных частях кристалла, динамически распределяя ресурсы охлаждения, обеспечивая оптимальную производительность, не пересекая тепловую красную линию. ProteanTecs, например, только что представила решение, предназначенное для центров обработки данных, которое, по ее словам, может снизить энергопотребление серверов за счет уменьшения количества защитных полос, необходимых для защиты чипов от перегрева. Этот подход основан на отслеживании изменений внутри чипа и внесении корректировок по мере необходимости.

Synopsys и Siemens EDA также имеют решения для мониторинга различных изменений активности и температуры с помощью внутренних датчиков. Возможность получать показания изнутри упаковки с помощью телеметрии становится все более важным компонентом управления теплом.

«У вас есть механическая конструкция чипов на чипах и на переходниках с тысячами или миллионами микровыступов, и все они расширяются и сжимаются по мере нагревания чипа», — добавляет Суиннен. «В зависимости от вашей тепловой карты, целостность электропитания должна будет адаптироваться к локальному температурному профилю в режиме реального времени. Вы можете подсчитать, сколько энергии выдает чип, но зависит от того, до какой температуры он будет работать. Он лежит на холодной тарелке или сидит на солнце в Сахаре? Один и тот же чип и одна и та же активность могут привести к очень разным температурам в зависимости от окружающей среды».

Кроме того, исследования материалов с фазовым переходом, которые поглощают тепло, изменяя свое состояние, обещают пассивное, но мощное регулирование температуры. Более того, исследование биологических систем охлаждения, пытающихся имитировать реакцию человеческого тела на тепло, предвещает будущее, в котором наши устройства смогут рассеивать тепло так же интуитивно, как мы потеем.

Заключение
Поскольку полупроводниковая промышленность продолжает расширять границы производительности и интеграции, управление температурным режимом в современной упаковке остается проблемой. С одной стороны спектра возникают возрастающие проблемы с температурой, поскольку компании стремятся к более плотно упакованным многочиповым модулям. Напротив, достижения в области материаловедения и инновационные технологии охлаждения стремятся облегчить возникающую в результате тепловую деформацию. Оба необходимы для решения сложных тепловых проблем, но впереди еще много работы, чтобы решить эту проблему последовательным и предсказуемым способом.

- Эд Сперлинг способствовал этому отчету.

Связанные Чтение
Управление термическим напряжением в чипах
Гетерогенная интеграция и растущая плотность в передовых узлах создают сложные и трудные задачи для производства и упаковки ИС.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://semiengineering.com/navigating-heat-in-advanced-packaging/