Krmarjenje po toploti v napredni embalaži

Integracija več heterogenih matric v paket je ključnega pomena za razširitev Moorovega zakona in izboljšanje zmogljivosti, energetske učinkovitosti in funkcionalnosti, vendar sproža tudi pomembna vprašanja glede upravljanja toplotne obremenitve.

Napredno pakiranje ponuja način za pakiranje več funkcij in funkcij v napravo, vedno bolj z navpičnim zlaganjem različnih komponent, namesto da bi zgolj krčili digitalno vezje, da bi več funkcionalnosti stlačili na SoC velikosti namerilnega križa. To sproža vprašanja o tem, kako optimizirati zmogljivost in moč. Na eni matrici so lahko signalne poti tako kratke, kot je potrebno, substrat pa učinkovito odvaja toploto. Toda pri več matricah v paketu morajo biti substrati in dielektriki tanjši, da zmanjšajo razdaljo, ki jo morajo prepotovati signali, in to omejuje toplotno disipacijo.

To lahko vodi do vročih točk, ki jih je težko predvideti, zlasti pri različnih delovnih obremenitvah in primerih uporabe. Lahko pa se poslabša, če v en paket vključite več čipov ali čipletov z različnimi toplotnimi lastnostmi.

»Kadar koli na substrat ali vmesnik položite več matric, je to izziv,« pravi Vik Chaudhry, višji direktor za trženje izdelkov in poslovni razvoj pri Amkor tehnologija. »Vidimo, da prodajalci ne dajejo le 3 ali 4, ampak 8 ali 10 ali 12. Kako razporediš to toploto vsepovsod?"

Slika 1: Simulacija odvajanja toplote pri toplotnih parih. Vir: Ansys

Heterogena integracija je odvisno od zmožnosti učinkovitega odvajanja toplote, kar zagotavlja, da gosto zapakirane matrice znotraj modula vzdržujejo sprejemljive temperature za zanesljivo delovanje. Načrt heterogene integracije IEEE opredeljuje več področij razvojnih potreb, vključno z naprednimi tehnikami modeliranja za napovedovanje in upravljanje toplotnega toka, novimi materiali z visoko toplotno prevodnostjo in nizko električno prevodnostjo ter novimi hladilnimi rešitvami, ki jih je mogoče neopazno vključiti v kompleksne pakete.

Toplotno neskladje
Izbira materiala je ključnega pomena za upravljanje toplote pri heterogeni integraciji. Ker se komponente z različnimi koeficienti toplotne razteznosti (CTE) segrevajo in ohlajajo, se ti materiali širijo in krčijo z različnimi stopnjami. To lahko povzroči mehanske obremenitve, ki ogrozijo celovitost čipov, oslabijo vezi, ki jih povezujejo z vmesniki ali drugimi substrati, in vplivajo na splošno funkcionalnost naprave.

Uporaba materialov s podobnimi CTE pomaga zmanjšati te napetosti, ublažiti del tveganja prezgodnje okvare, pa tudi druge termično povzročene učinke, kot je pospešeno staranje, zmanjšana mobilnost elektronov ali odmik analognih ali optičnih signalov.

»CTE je verjetno izziv številka ena za napredno embalažo in mislim, da tega še nihče ni v celoti razumel,« pravi David Fromm, COO in podpredsednik inženiringa pri Promex Industries. »S CTE se ukvarjamo v tridimenzionalnem merilu na načine, ki jih še nismo videli, in te težave z deli, ki se zvijajo ali lomijo, so resnično zahtevne. Nekatera podjetja lahko to ugotovijo za dani proces, nato pa se spremenijo materiali, velikosti naprav in enačba. In potem moraš znova ugotoviti."

Preprosto povedano, heterogena integracija zahteva temeljno razumevanje lastnosti toplotnega raztezanja vsakega materiala, ki bi lahko na koncu oblikovalo zanesljivost in izkoristek pakirane naprave. In to je le del problema. Napredno pakiranje zahteva razumevanje tega, kaj je še v bližini čipa ali čipleta, kako se ti drugi elementi uporabljajo, in vse to je treba modelirati in simulirati skupaj z uporabo tega, kar se pričakuje kot realna delovna obremenitev. Ta težava je veliko težja, ko se računske potrebe spremenijo, na primer v podatkovnih centrih, kjer je generativni AI znatno povečal količino podatkov, ki jih je treba obdelati, kar ima za posledico večjo uporabo procesorjev in pomnilnikov.

»Vedno je obstajala določena stopnja toplotne analize, vendar je bila narejena na koncu samo zato, da bi preverili, ali je kaj preveč ušlo izpod nadzora,« pravi Marc Swinnen, direktor trženja izdelkov pri Odgovori. »Lahko bi ciljali na določeno temperaturo spoja, in če bi bila skladna, je bilo tako preprosto. Toda zdaj s sistemi z več matricami boste morali to storiti v fazi načrtovanja tal RTL. Morali boste imeti nekaj predstave o tem, kakšna je izhodna moč vsakega od teh čipov, da dva čipa, ki se segrejeta pri istem načinu delovanja, ne bosta postavljena tik drug poleg drugega ali čisto drug na drugega . To bo pogubilo vaš dizajn."

Nazaj na risalno desko
Medtem ko se industrija spopada z različnimi izzivi načrta heterogenega povezovanja, toplotno upravljanje ni več samoumevna zamisel. Premaknil se je levo v tok od načrtovanja skozi proizvodnjo in na področje, kjer lahko monitorji v vezju ocenijo in prilagodijo vse, od razdeljevanja do določanja prednosti različnih čipov in čipletov.

"Hudič je v podrobnostih," pravi Fromm. »Te navidezno majhne odločitve o oblikovanju in integraciji imajo lahko izjemen vpliv na to, ali lahko sploh zgradite, kar želite, še manj pa zgradite z donosom in zanesljivostjo izdelka na koncu. Izbira pravih materialov, razmišljanje o skladih in razmišljanje o poteku procesa so ključni.«

To predstavlja temeljni premik v vedno večjem številu modelov, od podatkovnih centrov do potrošniške elektronike in vse bolj avtonomnih vozil. Ker so heterogeni elementi pakirani skupaj v oboževalci s stebri, 2.5D, še posebej pa v 3D-IC zasnove je treba toplotne poti začrtati vse podrobneje. Če naredite napačno, lahko poškodujete celoten paket, napolnjen z več čipi/vezki, pri čemer je lahko celo iskanje vira težave drago.

"Obstaja potreba po načrtovanju toplotnih mehanskih omejitev ter tehnologije podlage in sestavljanja," pravi George Orji, raziskovalec pri CHIPS National Advanced Packaging Manufacturing Program (NAPMP). "Napredna embalaža ne dovoljuje predelave, zato so metodologije oblikovanja monolitnih čipov za napredno embalažo nekaj, kar moramo narediti."

Kompleksnost, ki je del heterogeno integriranih sistemov, zahteva multidisciplinarni pristop k načrtovanju. To je zapletena stvar in poskusi, da bi ta pristop deloval, niso novi in ​​ni uspel zaradi ravninskega skaliranja. David Fried, podpredsednik podjetja pri Lam raziskave, je med nedavno panelno razpravo dejal, da je IBM poskusil 3D heterogeno integracijo pred 25 leti, ko je bil tam. "Mislili smo, da bi lahko v njem sestavili veliko procesnih komponent," je dejal. »Toda nekaj največjih izzivov je bilo na strani načrtovanja in EDA, pri razdelitvi, katero tehnologijo uporabiti, kako segmentirati različne komponente sistema na različnih čipih, nato pa se vrniti in jih ponovno integrirati. Zasnova in optimizacija zasnove morata obstajati, da to deluje.«

Od takrat se je spremenilo to, da je industriji čipov zmanjkalo možnosti. Razvijanje čipov na najnaprednejših vozliščih postaja predrago in preveč omejeno z velikostjo namerilnega križa. Toda to je še vedno težko delo.

Da bi zmanjšali breme oblikovalcev, so sinergijske tehnike, ki vključujejo napredne znanosti o materialih in računalniško podprta orodja za načrtovanje, vse bolj ključne, zlasti ker postajajo konfiguracije čipov bolj zapletene in integrirana funkcionalnost narašča. »Tukaj imamo še vedno veliko dela,« doda Swinnen iz podjetja Ansys. »Kako to rešiti na način, ki ne bo zahteval, da je vsak oblikovalec strokovnjak za termične in elektromagnetne motnje ter strokovnjak za mehaniko? To je nerealno pričakovati od naše oblikovalske skupnosti.”

S temi omejitvami prihaja potreba po inovacijah v več ključnih vidikih procesa oblikovanja. Ob priznavanju večplastne narave ustvarjanja toplote v gosto integriranih čipih je nujno obravnavati ne le stacionarno stanje, ampak tudi prehodne toplotne dogodke, ki v veliki meri temeljijo na primerih uporabe ali delovnih obremenitvah. Načrt za heterogeno integracijo vključuje strategije, kot so 3D materiali za toplotne vmesnike in razpršilniki toplote, ki se ujemajo s CTE, da se zagotovi enakomerna porazdelitev toplote.

»Z več matricami imate več virov toplotnih učinkov, več mehanskih gradientov in temperaturnih gradientov,« pravi Manuel Mota, višji vodja trženja izdelkov pri Synopsys. "Vse to je treba obravnavati v fazi načrtovanja."

Vključevanje toplotnih vidikov v proces načrtovanja je zahteva za praktično izvedbo katere koli kompleksne polprevodniške naprave. Ne gre le za prepoznavanje pravih materialov ali komponent. Predvideva tudi, kako bodo vsi skupaj delovali na terenu.

Ko inženirji zmanjšajo obliko elektronskih naprav, hkrati pa povečajo njihovo zmogljivost, se toplotna ovojnica močno zaostri. Celovito upravljanje toplotnih profilov v različnih delovnih stanjih, ki izkoriščajo najnovejši razpršilnik toplote in materiale za termični vmesnik, postane bistvenega pomena za ohranjanje integritete in učinkovitosti naprave v predvidenem življenjskem ciklu.

»Toplota je omejitev številka ena za gostoto integracije,« pravi Swinnen. »Zlaganje žetonov je preprosto. Lahko ga izdelate in oblikujete, vendar nikoli ne bo delovalo, ker bo postalo prevroče. Tako je toplota postala osrednji del skrbi vsakega oblikovalca čipov 3D-IC.”

Reševanje toplotnega izziva pri heterogeni integraciji zahteva sestavljanje različnih materialov, kot so polprevodniki z nižjimi CTE, kot je silicij, s kovinami, kot sta baker ali aluminij, za učinkovito odvajanje toplote. Na žalost ta mešanica materialov pogosto vodi do zvijanja, razpok, dviganja izboklin pri spajkah in odpovedi naprav prej, kot je bilo pričakovano. Za premagovanje teh težav so potrebni novi materiali z združljivimi lastnostmi.

"Ti substratni materiali se bodo verjetno razvijali počasneje kot vmesni materiali, lepila, epoksidi in tako naprej," pravi Fromm. »Gre za procesne pogoje in kako jih upravljate. Kjer smo lahko boljši na strani obdelave, je sodelovanje s proizvajalci lepil, da bi razumeli spremembe temperature, in nato navzgor na ravni načrtovanja, da bi razumeli, kako se lahko vsi ti skladi razvijajo ob upoštevanju teh temperaturnih sprememb.«

Materialne inovacije
Zaskrbljenost zaradi toplote sega precej dlje od delovanja čipa. Toplota je problem tudi na strani proizvodnje. Čipi znotraj naprednega paketa morajo preživeti sestavljanje in proizvodnjo, kjer lahko nekatere iste težave s CTE postanejo problematične.

Razmislite na primer o kolektivni matrici na rezino (CoD2W), ki uporablja termokompresijsko lepljenje za pritrditev matrice na rezino. »V procesu CoD2W obstajajo situacije, ko različne matrice prihajajo iz različnih virov in imajo lahko različne višine ali debeline,« pravi Rama Puligadda, izvršni direktor za raziskave in razvoj naprednih tehnologij pri Pivovarna znanost. »Ko nosilec napolnite s temi matricami, je zelo težko vedeti, ali bodo vse matrice prišle v stik s tarčo med lepljenjem. Mehanske lastnosti lepila za pritrditev matrice so zasnovane tako, da omogočajo, da se višja matrica med lepljenjem rahlo vgradi, kar omogoča dober stik vseh matric s ciljno rezino.«

To odpira drugačna vprašanja. "Izzivi za naše materiale vključujejo temperaturne omejitve različnih matric," je dejal Puligadda. »Zagotoviti moramo, da temperature, uporabljene za lepljenje materialov, ne presežejo toplotnih omejitev katerega koli od čipov, ki so integrirani v paket. Poleg tega lahko pride do nekaterih poznejših procesov, kot je tvorba prerazporeditvene plasti ali oblikovanje. Naši materiali morajo preživeti te procese. Preživeti morajo kemikalije, s katerimi pridejo v stik v celotnem procesu pakiranja. Mehanske obremenitve v paketu predstavljajo dodatne izzive za lepljenje materialov.«

V razvoju je vrsta materialov, ki nudijo vrhunsko toplotno prevodnost in električno izolacijo. Ti na novo zasnovani materiali za termični vmesnik (TIM) zagotavljajo učinkovite poti toplotnega prevoda med čipom in njegovim hladilnikom, ne da bi vplivali na delovanje čipa. TIM-ji se ne ponašajo samo z izboljšano toplotno prevodnostjo, ampak tudi poskrbijo za najmanjša odstopanja, ki jih povzroči neenakomerno ustvarjanje toplote po površini čipa.

"Toplotno upravljanje bo zahtevalo nove toplotne materiale, pa tudi nove topologije vezij, ki uporabljajo napredne podlage in heterogeno integracijo," pravi Orji. "Ker so čipi pakirani tako blizu drug drugemu, obstaja zelo omejena sposobnost širjenja odvečne toplote."

Slika 2: Podroben pogled polimernega toplotnega vmesnika z delci. Vir: Amkor

V idealnem primeru bodo ti novi materiali pokazali močne kovalentne vezi in uravnotežene anionsko-kationske mase, podobne nezapleteni atomski strukturi, ki jo najdemo v diamantu. Priznani materiali v tej kategoriji vključujejo diamant, skupaj s spojinami, kot so berilijev oksid, aluminijev nitrid, borov nitrid in do neke mere silicijev nitrid. Kljub zmožnostim toplotne prevodnosti ti materiali predstavljajo proizvodne izzive zaradi samih vezi, ki zagotavljajo njihovo trdnost, zaradi česar so na primer potrebni postopki visokotemperaturnega sintranja, da se doseže želena gostota. Izjema je diamant, ki ni primeren za sintranje.

Eden od pristopov k izkoriščanju prednosti teh materialov, kljub izzivom njihove obdelave, vključuje uporabo kompozitov. Na primer, vključitev aluminijevega nitrida v epoksidni kompozit delno zajame prednosti termičnega ravnanja, čeprav se ne bo ujemal s stopnjami prevodnosti trdne keramične dvojne. Ta mešanica lastnosti materiala je ključna pri embalaži elektronike, kjer je zaželeno imeti odličen električni prevodnik, ki odvaja dovolj toplote stran od jeder čipa, da prepreči kompromise pri delovanju signala.

Diamant, znan po svoji izjemni trdoti, izstopa kot odličen toplotni prevodnik in izolator. Polimerni materiali, kot je teflon (politetrafluoroetilen ali PTFE), čeprav so manj prevodni kot keramika ali diamant, še vedno prekašajo številne plastike v svoji sposobnosti prevajanja toplote in zagotavljanja zanesljive električne izolacije. PTFE je dovolj učinkovit, da se lahko uporablja kot premazni material v toplotno intenzivnih aplikacijah, kot je kuhinjska posoda.

Steklo, porcelan in druga gosta keramika imajo te lastnosti izolacije in toplotne prevodnosti. Predstavljajo praktične rešitve, zlasti v primerih, ko je za upravljanje toplote potreben tudi odličen električni izolator. Aluminijev nitrid (AlN) se uporablja kot izolator v polprevodniških napravah, ki premosti vrzel med matricami in komponentami za prenos toplote. Kljub temu, da ni tako toplotno prevoden kot berilijev oksid, AlN ponuja varnejšo in stroškovno učinkovitejšo alternativo. Poleg tega AlN prekaša bolj standardne izolatorje, kot so sljuda, poliimid in aluminijev oksid, kar zadeva upravljanje toplote.

Sintetični safir si zasluži pozornost tudi zaradi svoje cenovne dostopnosti in prilagodljivosti v različne oblike, zaradi česar je še en dragocen igralec na področju polprevodniške embalaže. Vsak od teh materialov predstavlja edinstvene prednosti pri oblikovanju paketov, kjer je nadziranje toplote brez oviranja delovanja elektronike najpomembnejše.

Medtem ko so napredni materiali, kot sta diamant in aluminijev nitrid, v ospredju pri reševanju toplotnih izzivov v polprevodniških napravah, vse rešitve ne zahtevajo eksotičnih ali togih komponent. Termične masti in lepila služijo kot vezivno tkivo v elektronski embalaži, zapolnjujejo majhne vrzeli ali površinske nepravilnosti in omogočajo prenos toplote med komponentami z različnimi topografijami. Njihova zmožnost prilagajanja površinam zagotavlja ključno dopolnitev trdnejšim rešitvam za upravljanje toplote, ki tvorijo celovit pristop k odvajanju toplote. S poudarkom na izboljšanju teh materialov želijo raziskovalci izboljšati njihove lastnosti toplotne prevodnosti, zaradi česar postanejo učinkovitejši partnerji v paradigmi upravljanja toplote.

»Toplotne masti in termična lepila so toplotno prevodni,« dodaja Fromm, »toda v primerjavi z materiali, kot je tipična keramika, ki so toplotno prevodni, so desetkrat slabi prevodniki. Ti materiali niso tako dobri in za to obstajajo fizični in kemični razlogi. Tam je treba doseči veliko prednosti in v tem prostoru se dogaja veliko dela.«

Pogled naprej
Ker novi materiali utirajo pot toplotni razbremenitvi, se razvijajo tudi nove inovativne tehnike hlajenja. Silikonski mikrokanali, ki so poti v mikro merilu, vgravirane v substrate, lahko vodijo hladilne tekočine neposredno v srce vročih točk. Ta metoda neposrednega hlajenja je boljša od tradicionalnih hladilnikov, vendar ponuja izzive pri načrtovanju, sestavljanju in zanesljivosti.

Podobno bi lahko razvoj sistemov za tekoče hlajenje z zaprto zanko omogočil, da komponente ostanejo hladne brez omejitev, ki jih nalagajo metode pretoka zraka. Ti sistemi ponujajo obljubo o nižji delovni temperaturi brez grožnje toplotnega dušenja, vendar je treba opraviti še veliko raziskav pri načrtovanju in upravljanju procesov za sisteme za hlajenje s tekočino.

Druga možnost je, da preprosto obrnete strukturo zložene matrice, tako da je namesto pomnilnika na vrhu logike, logika postavljena na vrh pomnilnika s toplotnim odvodom na vrhu. Winbond, na primer, je to predlagal s svojo prilagojeno tehnologijo elementov ultrapasovne širine (CUBE), visoko zmogljivim pristopom, ki zloži zgornjo matrico SoC neposredno na pomnilnik, ki je nato pritrjen na substrat s pomočjo silicijevih prehodov. Pristop, kot pravi CS Lin, vodja marketinga pri Winbond, porabi manj energije, kar posledično zmanjša toploto. Poleg tega omogoča neposredno odvajanje toplote, namesto da bi jo usmerjali skozi nek labirint heterogenih komponent.

Druga možnost je uporaba toplotnega upravljanja v realnem času, ki ga poganja AI. Algoritmi lahko zdaj spremljajo temperature na različnih lokacijah na čipu, dinamično usmerjajo hladilne vire in zagotavljajo optimalno delovanje brez prečkanja toplotne rdeče črte. ProteanTecs je na primer pravkar uvedel rešitev, namenjeno podatkovnim centrom, za katero pravi, da lahko zmanjša moč v strežnikih z zmanjšanjem količine zaščitnih pasov, potrebnih za zaščito čipov pred pregrevanjem. Ta pristop temelji na spremljanju sprememb znotraj čipa in zagotavljanju prilagoditev po potrebi.

Synopsys in Siemens EDA imata tudi rešitve za spremljanje različnih dejavnosti in temperaturnih sprememb z uporabo notranjih senzorjev. Možnost pridobivanja odčitkov iz notranjosti paketa s pomočjo telemetrije je vse bolj pomembna komponenta pri upravljanju toplote.

»Imate mehansko konstrukcijo čipov na čipih in na vmesnikih s tisoči ali milijoni mikro-izboklin, ki se vse razširijo in skrčijo, ko se čip segreje,« dodaja Swinnen. »Glede na vaš toplotni zemljevid se bo morala vaša celovitost napajanja v realnem času prilagajati lokalnemu temperaturnemu profilu. Izračunate lahko, koliko energije oddaja čip, vendar je odvisno, na kakšno temperaturo ga pripelje. Sedi na hladnem krožniku ali sedi na soncu v Sahari? Isti čip in ista dejavnost lahko povzročita zelo različne temperature, odvisno od okolice.”

Poleg tega raziskave materialov s fazno spremembo, ki absorbirajo toploto s spreminjanjem svojega stanja, obljubljajo pasivno, a močno regulacijo temperature. Še več, raziskovanje bioloških hladilnih sistemov, ki poskušajo posnemati odziv človeškega telesa na toploto, napoveduje prihodnost, v kateri bodo lahko naše naprave odvajale toploto tako intuitivno, kot se potimo.

zaključek
Ker polprevodniška industrija še naprej premika meje zmogljivosti in integracije, upravljanje toplote v napredni embalaži ostaja izziv. Na eni strani spektra se pojavlja vse večja toplotna kompleksnost, ko se podjetja usmerjajo k bolj gosto zapakiranim modulom z več čipi. Nasprotno, napredek v znanosti o materialih in inovativne tehnologije hlajenja si prizadevajo ublažiti posledično toplotno obremenitev. Oba sta potrebna za reševanje zapletenih toplotnih izzivov, vendar je pred nami še veliko dela, da to rešimo na dosleden in predvidljiv način.

- Ed Sperling je prispeval k temu poročilu.

Sorodno branje
Obvladovanje toplotno povzročene napetosti v čipih
Heterogena integracija in naraščajoča gostota na naprednih vozliščih ustvarjata zapletene in težke izzive za proizvodnjo in pakiranje IC.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://semiengineering.com/navigating-heat-in-advanced-packaging/