การนำทางความร้อนในบรรจุภัณฑ์ขั้นสูง

การรวมแม่พิมพ์ที่ต่างกันหลายตัวในบรรจุภัณฑ์ถือเป็นส่วนสำคัญในการขยายกฎของมัวร์และการเพิ่มประสิทธิภาพ ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน และฟังก์ชันการทำงาน แต่ยังก่อให้เกิดปัญหาสำคัญเกี่ยวกับวิธีการจัดการภาระความร้อนอีกด้วย

บรรจุภัณฑ์ขั้นสูง มอบวิธีการบรรจุคุณสมบัติและฟังก์ชันต่างๆ ลงในอุปกรณ์ได้มากขึ้น โดยการซ้อนส่วนประกอบต่างๆ ในแนวตั้ง แทนที่จะลดขนาดวงจรดิจิทัลลงเพื่ออัดฟังก์ชันการทำงานเพิ่มเติมลงบน SoC ขนาดเรติเคิล นั่นทำให้เกิดปัญหาเกี่ยวกับวิธีการปรับประสิทธิภาพและพลังงานให้เหมาะสม บนแม่พิมพ์ตัวเดียว เส้นทางสัญญาณอาจสั้นได้ตามต้องการ และซับสเตรตก็มีประสิทธิภาพในการกระจายความร้อน แต่ด้วยแม่พิมพ์หลายชิ้นในบรรจุภัณฑ์ วัสดุพิมพ์และไดอิเล็กทริกจึงต้องบางลงเพื่อลดระยะห่างที่สัญญาณต้องเคลื่อนที่ และนั่นจะจำกัดการกระจายความร้อน

ซึ่งอาจนำไปสู่ฮอตสปอตซึ่งคาดเดาได้ยาก โดยเฉพาะภายใต้ปริมาณงานและกรณีการใช้งานที่แตกต่างกัน และอาจทำให้แย่ลงได้เมื่อรวมชิปหรือชิปเล็ตหลายตัวที่มีคุณสมบัติทางความร้อนที่แตกต่างกันเข้าไว้ในบรรจุภัณฑ์เดียว

“เมื่อใดก็ตามที่คุณใส่แม่พิมพ์หลายตัวลงบนวัสดุพิมพ์หรือตัวแทรกระหว่างกัน ถือเป็นเรื่องท้าทาย” Vik Chaudhry ผู้อำนวยการอาวุโส ฝ่ายการตลาดผลิตภัณฑ์และการพัฒนาธุรกิจของกล่าว เทคโนโลยี Amkor. “เราเห็นผู้ขายที่ใส่ไม่เพียงแค่ 3 หรือ 4 ชิ้นเท่านั้น แต่ยังมี 8 หรือ 10 หรือ 12 ชิ้นที่ตายไป คุณจะกระจายความร้อนนั้นไปทั่วได้อย่างไร”

รูปที่ 1: การจำลองการกระจายความร้อนที่คู่ความร้อน ที่มา: แอนซิส

บูรณาการที่แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับความสามารถในการขจัดความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้มั่นใจได้ว่าแม่พิมพ์ที่อัดแน่นภายในโมดูลจะรักษาอุณหภูมิที่ยอมรับได้สำหรับการทำงานที่เชื่อถือได้ แผนงานการบูรณาการแบบ Heterogeneous ของ IEEE ระบุความต้องการด้านการพัฒนาหลายประการ รวมถึงเทคนิคการสร้างแบบจำลองขั้นสูงเพื่อคาดการณ์และจัดการการไหลของความร้อน วัสดุใหม่ที่มีทั้งการนำความร้อนสูงและการนำไฟฟ้าต่ำ และโซลูชันการระบายความร้อนแบบใหม่ที่สามารถบูรณาการเข้ากับบรรจุภัณฑ์ที่ซับซ้อนได้อย่างราบรื่น

ความร้อนไม่ตรงกัน
การเลือกใช้วัสดุมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการจัดการระบายความร้อนในการบูรณาการแบบต่างกัน เนื่องจากส่วนประกอบที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวจากความร้อน (CTE) ต่างกันจะร้อนขึ้นและเย็นลง วัสดุเหล่านี้จะขยายตัวและหดตัวในอัตราที่ต่างกัน ซึ่งสามารถทำให้เกิดความเครียดทางกลที่กระทบต่อความสมบูรณ์ของชิป ทำให้พันธะที่เชื่อมต่อชิปกับอินเทอร์โพเซอร์หรือซับสเตรตอื่นๆ อ่อนลง และส่งผลต่อการทำงานโดยรวมของอุปกรณ์

การใช้วัสดุที่มี CTE คล้ายคลึงกันจะช่วยลดความเครียดเหล่านี้ ลดความเสี่ยงของความล้มเหลวก่อนเวลาอันควร เช่นเดียวกับผลกระทบที่เกิดจากความร้อนอื่นๆ เช่น การเร่งอายุ การเคลื่อนตัวของอิเล็กตรอนที่ลดลง หรือการเคลื่อนตัวของสัญญาณอะนาล็อกหรือแสง

“CTE น่าจะเป็นความท้าทายอันดับหนึ่งสำหรับบรรจุภัณฑ์ขั้นสูง และฉันไม่คิดว่าจะมีใครคิดออกได้ครบถ้วนจริงๆ” David Fromm, COO และรองประธานฝ่ายวิศวกรรมของกล่าว โพรเม็กซ์อินดัสทรีส์. “เรากำลังจัดการกับ CTE ในรูปแบบสามมิติในแบบที่เราไม่เคยเห็นมาก่อน และปัญหาการบิดเบี้ยวหรือการแตกหักของชิ้นส่วนเหล่านี้เป็นเรื่องที่ท้าทายมาก บางบริษัทอาจคิดออกสำหรับกระบวนการที่กำหนด จากนั้นวัสดุก็เปลี่ยนไป ขนาดอุปกรณ์ก็เปลี่ยนไป และสมการก็เปลี่ยนไป แล้วคุณก็ต้องคิดออกอีกครั้ง”

พูดง่ายๆ ก็คือ การบูรณาการแบบต่างกันจำเป็นต้องมีความเข้าใจพื้นฐานเกี่ยวกับคุณสมบัติการขยายตัวเนื่องจากความร้อนของวัสดุทุกชนิด ซึ่งในที่สุดจะสามารถสร้างความน่าเชื่อถือและผลผลิตของอุปกรณ์บรรจุภัณฑ์ได้ และนั่นเป็นเพียงส่วนหนึ่งของปัญหาเท่านั้น การบรรจุขั้นสูงจำเป็นต้องมีความเข้าใจว่ามีอะไรอีกบ้างที่อยู่ในละแวกใกล้เคียงของชิปหรือชิปเล็ต องค์ประกอบอื่นๆ เหล่านั้นถูกนำมาใช้อย่างไร และทั้งหมดนี้จำเป็นต้องมีการสร้างแบบจำลองและจำลองร่วมกันโดยใช้สิ่งที่คาดว่าจะเป็นปริมาณงานที่สมจริง ปัญหานี้ยากขึ้นมากเมื่อความต้องการในการประมวลผลเปลี่ยนไป เช่น ในศูนย์ข้อมูลที่ AI กำเนิดได้เพิ่มปริมาณข้อมูลที่จำเป็นต้องประมวลผลเพิ่มขึ้นอย่างมาก ส่งผลให้มีการใช้ประโยชน์จากโปรเซสเซอร์และหน่วยความจำมากขึ้น

“มีการวิเคราะห์เชิงความร้อนอยู่บ้างเสมอ แต่สุดท้ายก็เสร็จสิ้นเพียงเพื่อตรวจสอบว่าไม่มีอะไรเกินกำลังมือ” Marc Swinnen ผู้อำนวยการฝ่ายการตลาดผลิตภัณฑ์ของกล่าว คำตอบ. “คุณสามารถกำหนดเป้าหมายอุณหภูมิของหัวต่อได้ และหากเป็นไปตามข้อกำหนด ก็ง่ายมาก แต่ขณะนี้ด้วยระบบหลายแม่พิมพ์ คุณจะต้องดำเนินการดังกล่าวในขั้นตอนการวางแผนพื้นของ RTL คุณจะต้องมีความคิดว่ากำลังขับของชิปแต่ละตัวเป็นอย่างไร เพื่อที่ว่าชิปสองตัวที่ร้อนในโหมดการทำงานเดียวกันจะไม่ถูกวางติดกันหรือทับกัน . นั่นจะส่งผลถึงการออกแบบของคุณ”

กลับไปที่กระดานวาดภาพ
ในขณะที่อุตสาหกรรมกำลังต่อสู้กับความท้าทายต่างๆ ในแผนงานการบูรณาการที่ต่างกัน การจัดการระบายความร้อนจึงไม่ใช่เรื่องที่ตามมาอีกต่อไป โดยได้เลื่อนไปทางซ้ายในกระบวนการออกแบบผ่านการผลิต และออกไปสู่สาขาที่จอภาพในวงจรสามารถประเมินและปรับเปลี่ยนทุกอย่างตั้งแต่การแบ่งพาร์ติชันไปจนถึงการจัดลำดับความสำคัญของชิปและชิปเล็ตต่างๆ

“ปีศาจอยู่ในรายละเอียด” ฟรอมม์กล่าว “การตัดสินใจในการออกแบบและบูรณาการที่ดูเหมือนเล็กน้อยเหล่านี้อาจส่งผลกระทบอย่างมากต่อว่าคุณสามารถสร้างสิ่งที่คุณต้องการได้หรือไม่ โดยสร้างน้อยลงด้วยผลผลิตและความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์ขั้นปลายน้ำ การเลือกวัสดุที่เหมาะสม การคำนึงถึงการเรียงซ้อน และการคำนึงถึงผังกระบวนการ ล้วนเป็นสิ่งสำคัญ”

สิ่งนี้แสดงให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงขั้นพื้นฐานในการออกแบบจำนวนมากขึ้น ตั้งแต่ศูนย์ข้อมูลไปจนถึงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค และยานพาหนะที่ขับเคลื่อนอัตโนมัติมากขึ้น เนื่องจากองค์ประกอบต่างกันมารวมกันเป็นหนึ่งเดียว กระจายออกไป มีเสา 2.5Dและโดยเฉพาะอย่างยิ่งใน 3D-ไอซี การออกแบบ เส้นทางระบายความร้อนจะต้องมีการแมปในรายละเอียดที่เพิ่มขึ้น หากทำผิด สิ่งนี้อาจสร้างความเสียหายให้กับบรรจุภัณฑ์ทั้งหมดที่เต็มไปด้วยชิป/ชิปเล็ตหลายตัว ซึ่งแม้แต่การค้นหาสาเหตุของปัญหาก็อาจมีค่าใช้จ่ายสูง

George Orji นักวิทยาศาสตร์การวิจัยของ CHIPS National Advanced Packaging Manufacturing Program (NAPMP) กล่าวว่า "จำเป็นต้องมีการออกแบบข้อจำกัดทางกลด้านความร้อนตลอดจนวัสดุตั้งต้นและเทคโนโลยีการประกอบ" “บรรจุภัณฑ์ขั้นสูงไม่อนุญาตให้มีการทำงานซ้ำ ดังนั้นวิธีการออกแบบชิปแบบเสาหินสำหรับบรรจุภัณฑ์ขั้นสูงจึงเป็นสิ่งที่เราต้องทำ”

ความซับซ้อนที่มีอยู่ในระบบบูรณาการที่แตกต่างกันนั้นต้องการแนวทางการออกแบบแบบหลายสาขาวิชา นี่เป็นสิ่งที่ซับซ้อน และความพยายามในการทำให้แนวทางนี้ใช้งานได้ไม่ใช่เรื่องใหม่ และล้มเหลวเมื่อเผชิญกับการปรับสเกลระนาบ เดวิด ฟรีด รองประธานบริษัท การวิจัยลำกล่าวในระหว่างการอภิปรายเมื่อเร็วๆ นี้ว่า IBM ได้ลองใช้การผสานรวม 3 มิติที่แตกต่างกันเมื่อ 25 ปีที่แล้วตอนที่เขาอยู่ที่นั่น “เราคิดว่าเราสามารถปะติดปะต่อส่วนประกอบกระบวนการจำนวนมากเข้าด้วยกันได้” เขากล่าว “แต่ความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ที่สุดบางประการอยู่ที่การออกแบบและด้าน EDA การแบ่งพาร์ติชันเทคโนโลยีที่จะใช้ วิธีแบ่งส่วนประกอบต่างๆ ของระบบบนชิปที่แตกต่างกัน จากนั้นจึงย้อนกลับและรวมเข้าด้วยกันใหม่ การออกแบบและการเพิ่มประสิทธิภาพของการออกแบบจะต้องมีเพื่อให้สิ่งนี้ทำงานได้”

สิ่งที่เปลี่ยนแปลงไปตั้งแต่นั้นมาก็คืออุตสาหกรรมชิปไม่มีทางเลือกอีกต่อไป การพัฒนาชิปที่โหนดที่ทันสมัยที่สุดมีราคาแพงเกินไป และถูกจำกัดด้วยขนาดของเรติเคิลมากเกินไป แต่นี่ยังคงเป็นงานที่ยาก

เพื่อแบ่งเบาภาระของนักออกแบบ เทคนิคการทำงานร่วมกันที่เกี่ยวข้องกับวัสดุศาสตร์ขั้นสูงและเครื่องมือการออกแบบที่ใช้คอมพิวเตอร์ช่วยจึงมีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อการกำหนดค่าชิปมีความซับซ้อนมากขึ้น และมีฟังก์ชันการทำงานแบบผสมผสานเพิ่มมากขึ้น “นี่คือที่ที่เรายังมีงานต้องทำ” Swinnen ของ Ansys กล่าวเสริม “เราจะแก้ไขปัญหานี้ในลักษณะที่ไม่ต้องการให้นักออกแบบทุกคนเป็นผู้เชี่ยวชาญด้านความร้อน ผู้เชี่ยวชาญด้านสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า และผู้เชี่ยวชาญด้านเครื่องกลได้อย่างไร มันไม่สมจริงเลยที่จะคาดหวังสิ่งนั้นจากชุมชนการออกแบบของเรา”

ด้วยข้อจำกัดเหล่านี้ ทำให้เกิดความจำเป็นในการสร้างสรรค์นวัตกรรมในแง่มุมสำคัญหลายประการของกระบวนการออกแบบ เมื่อตระหนักถึงธรรมชาติของการเกิดความร้อนหลายแง่มุมภายในชิปที่มีการผสานรวมอย่างหนาแน่น จึงจำเป็นที่จะจัดการกับเหตุการณ์ไม่เพียงแค่ในสภาวะคงที่เท่านั้น แต่ยังรวมถึงเหตุการณ์ความร้อนชั่วคราวด้วย ซึ่งส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับกรณีการใช้งานหรือปริมาณงาน แผนงานสำหรับการบูรณาการแบบต่างกันประกอบด้วยกลยุทธ์ต่างๆ เช่น วัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อน 3D และเครื่องกระจายความร้อนที่จับคู่ CTE เพื่อให้มั่นใจในการกระจายความร้อนที่สม่ำเสมอ

“ด้วยแม่พิมพ์หลายตัว คุณจะมีแหล่งที่มาของผลกระทบทางความร้อนได้หลายแหล่ง การไล่ระดับเชิงกลและการไล่ระดับอุณหภูมิ” Manuel Mota ผู้จัดการฝ่ายการตลาดผลิตภัณฑ์อาวุโสของ กล่าว Synopsys. “ทั้งหมดนี้ต้องได้รับการแก้ไขในขั้นตอนการออกแบบ”

การรวมข้อควรพิจารณาด้านความร้อนเข้ากับกระบวนการออกแบบถือเป็นข้อกำหนดสำหรับการนำไปใช้จริงของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่ซับซ้อน ไม่ใช่แค่การระบุวัสดุหรือส่วนประกอบที่ถูกต้องเท่านั้น นอกจากนี้ยังจินตนาการว่าพวกเขาจะทำงานร่วมกันในภาคสนามอย่างไร

ในขณะที่วิศวกรลดฟอร์มแฟคเตอร์ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในขณะที่เพิ่มประสิทธิภาพการทำงาน ซองเก็บความร้อนก็กระชับขึ้นอย่างมาก การจัดการโปรไฟล์การระบายความร้อนอย่างครอบคลุมในสถานะการทำงานที่แตกต่างกัน โดยใช้ประโยชน์จากตัวกระจายความร้อนและวัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อนล่าสุด กลายเป็นสิ่งจำเป็นในการรักษาความสมบูรณ์และประสิทธิภาพของอุปกรณ์ตลอดอายุการใช้งานที่ต้องการ

“ความร้อนเป็นข้อจำกัดอันดับหนึ่งสำหรับความหนาแน่นของการบูรณาการ” Swinnen กล่าว “การเรียงชิปเป็นเรื่องง่าย คุณสามารถผลิตมันและออกแบบมันได้ แต่มันจะไม่ได้ผลเพราะมันจะร้อนเกินไป ดังนั้นความร้อนจึงกลายเป็นส่วนสำคัญของความกังวลของนักออกแบบชิป 3D-IC ทุกคน”

การแก้ปัญหาความท้าทายด้านความร้อนในการบูรณาการแบบต่างกันนั้นจำเป็นต้องรวบรวมวัสดุที่แตกต่างกัน เช่น เซมิคอนดักเตอร์ที่มี CTE ต่ำกว่า เช่น ซิลิคอน กับโลหะ เช่น ทองแดงหรืออลูมิเนียม เพื่อกระจายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ น่าเสียดายที่การผสมผสานวัสดุนี้มักจะนำไปสู่การบิดงอ รอยแตก การบัดกรีชนยก และอุปกรณ์ทำงานล้มเหลวเร็วกว่าที่คาดไว้ จำเป็นต้องมีวัสดุใหม่ที่มีคุณสมบัติเข้ากันได้เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้

“วัสดุซับสเตรตเหล่านี้อาจจะพัฒนาช้ากว่าวัสดุเชื่อมต่อ กาว อีพอกซี และอื่นๆ” ฟรอมม์กล่าว “มันขึ้นอยู่กับเงื่อนไขของกระบวนการและวิธีการจัดการสิ่งเหล่านั้น ในส่วนที่เราสามารถทำได้ดีกว่าในด้านการประมวลผลคือการทำงานร่วมกับผู้ผลิตกาวเพื่อทำความเข้าใจการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ จากนั้นจึงเริ่มต้นที่ระดับการออกแบบเพื่อทำความเข้าใจว่าสแต็คทั้งหมดเหล่านี้สามารถพัฒนาได้อย่างไร โดยพิจารณาจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิเหล่านั้น”

นวัตกรรมวัสดุ
ความกังวลเรื่องความร้อนมีมากกว่าแค่การทำงานของชิปเท่านั้น ความร้อนก็เป็นปัญหาในด้านการผลิตเช่นกัน ชิปภายในบรรจุภัณฑ์ขั้นสูงจะต้องผ่านการประกอบและการผลิต ซึ่งปัญหา CTE เดียวกันบางประการอาจกลายเป็นปัญหาได้

ลองพิจารณาการรวมไดย์ทูเวเฟอร์แบบรวม (CoD2W) ซึ่งใช้การเชื่อมด้วยการบีบอัดด้วยความร้อนเพื่อติดดายเข้ากับเวเฟอร์ “ในกระบวนการ CoD2W มีสถานการณ์ที่แม่พิมพ์ที่แตกต่างกันมาจากแหล่งที่มาที่แตกต่างกัน และอาจมีความสูงและความหนาต่างกัน” Rama Puligadda กรรมการบริหารฝ่ายวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีขั้นสูงของกล่าว วิทยาศาสตร์การต้มเบียร์. “เมื่อคุณเติมดายเหล่านี้ให้กับพาหะ เป็นเรื่องยากมากที่จะทราบว่าดายทั้งหมดจะสัมผัสกับเป้าหมายระหว่างการประสานกันหรือไม่ คุณสมบัติทางกลของกาวติดแม่พิมพ์ได้รับการออกแบบมาเพื่อให้แม่พิมพ์ที่สูงกว่าฝังตัวเล็กน้อยระหว่างการติด ซึ่งช่วยให้สามารถสัมผัสแม่พิมพ์ทั้งหมดกับเวเฟอร์เป้าหมายได้ดี”

นั่นทำให้เกิดประเด็นที่แตกต่างกัน “ความท้าทายสำหรับวัสดุของเรารวมถึงการจำกัดอุณหภูมิของแม่พิมพ์ที่แตกต่างกัน” Puligadda กล่าว “เราต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าอุณหภูมิที่ใช้ในการเชื่อมวัสดุไม่เกินขีดจำกัดด้านความร้อนของชิปใดๆ ที่รวมอยู่ในบรรจุภัณฑ์ นอกจากนี้ อาจมีกระบวนการบางอย่างตามมา เช่น การกระจายชั้นหรือการขึ้นรูปใหม่ วัสดุของเราต้องอยู่รอดจากกระบวนการเหล่านั้น พวกเขาต้องอยู่รอดจากสารเคมีที่สัมผัสตลอดแผนกระบวนการบรรจุภัณฑ์ ความเค้นเชิงกลในบรรจุภัณฑ์เพิ่มความท้าทายเพิ่มเติมสำหรับการติดวัสดุ”

วัสดุหลายประเภทอยู่ในระหว่างการพัฒนาซึ่งมีคุณสมบัติการนำความร้อนที่เหนือกว่าและฉนวนไฟฟ้า วัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อน (TIM) ที่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมใหม่เหล่านี้ให้เส้นทางการนำความร้อนที่มีประสิทธิภาพระหว่างชิปและเครื่องทำความเย็นโดยไม่กระทบต่อประสิทธิภาพของชิป TIM ไม่เพียงแต่มีการนำความร้อนที่ดีขึ้นเท่านั้น แต่ยังรองรับความแปรปรวนเล็กน้อยที่เกิดจากการสร้างความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอบนพื้นผิวของชิปอีกด้วย

“การจัดการระบายความร้อนจะต้องใช้วัสดุระบายความร้อนแบบใหม่ รวมถึงโครงสร้างวงจรแบบใหม่ที่ใช้ซับสเตรตขั้นสูงและการผสานรวมที่ต่างกัน” Orji กล่าว “เนื่องจากชิปถูกบรรจุไว้ใกล้กันมาก จึงมีความสามารถในการกระจายความร้อนส่วนเกินได้อย่างจำกัด”

รูปที่ 2: มุมมองโดยละเอียดของวัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อนโพลีเมอร์ที่มีอนุภาคหนัก ที่มา: อัมคอร์

ตามหลักการแล้ว วัสดุใหม่เหล่านี้จะแสดงพันธะโควาเลนต์ที่แข็งแกร่งและมวลไอออนไอออนบวกที่สมดุล คล้ายกับโครงสร้างอะตอมที่ไม่ซับซ้อนที่พบในเพชร วัสดุที่ได้รับการยอมรับในหมวดหมู่นี้ ได้แก่ เพชร พร้อมด้วยสารประกอบ เช่น เบริลเลียมออกไซด์ อะลูมิเนียมไนไตรด์ โบรอนไนไตรด์ และซิลิคอนไนไตรด์ในบางกรณี แม้จะมีความสามารถในการนำความร้อน แต่วัสดุเหล่านี้ก็มีความท้าทายในการผลิตเนื่องจากมีพันธะที่ให้ความแข็งแรง เช่น ต้องใช้กระบวนการเผาผนึกที่อุณหภูมิสูง เพื่อให้ได้ความหนาแน่นตามที่ต้องการ ข้อยกเว้นคือเพชรซึ่งไม่ยอมให้มีการเผาผนึก

แนวทางหนึ่งในการควบคุมคุณประโยชน์ของวัสดุเหล่านี้ แม้ว่าจะมีความท้าทายในการประมวลผล ก็ยังรวมถึงการใช้วัสดุคอมโพสิต ตัวอย่างเช่น การรวมอะลูมิเนียมไนไตรด์ไว้ในอีพอกซีคอมโพสิตจะจับข้อดีในการจัดการความร้อนได้บางส่วน แม้ว่าจะไม่ตรงกับระดับการนำไฟฟ้าของวัสดุเซรามิกที่เป็นของแข็งก็ตาม การผสมผสานคุณสมบัติของวัสดุนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ โดยที่ควรมีตัวนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยมซึ่งดึงความร้อนออกจากแกนชิปได้เพียงพอ เพื่อป้องกันการลดทอนประสิทธิภาพของสัญญาณ

Diamond ได้รับการยกย่องในเรื่องความแข็งขั้นสุด โดดเด่นในฐานะตัวนำความร้อนและฉนวนที่เป็นแบบอย่าง วัสดุโพลีเมอร์ เช่น เทฟลอน (โพลีเตตร้าฟลูออโรเอทิลีน หรือ PTFE) แม้ว่าจะมีความนำไฟฟ้าน้อยกว่าเซรามิกหรือเพชร แต่ก็ยังเหนือกว่าพลาสติกหลายชนิดในด้านความสามารถในการนำความร้อนและเป็นฉนวนไฟฟ้าที่เชื่อถือได้ PTFE มีประสิทธิภาพเพียงพอที่จะใช้เป็นวัสดุเคลือบในการใช้งานที่ต้องใช้ความร้อนสูง เช่น เครื่องครัว

แก้ว เครื่องลายคราม และเซรามิกหนาแน่นอื่นๆ มีคุณสมบัติเป็นฉนวนและการนำความร้อนเหล่านี้ร่วมกัน พวกเขาสร้างวิธีแก้ปัญหาในทางปฏิบัติ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีที่จำเป็นต้องใช้ฉนวนไฟฟ้าที่ดีเยี่ยมในการจัดการความร้อน อะลูมิเนียมไนไตรด์ (AlN) ถูกใช้เป็นฉนวนในอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ เชื่อมช่องว่างระหว่างแม่พิมพ์และส่วนประกอบการถ่ายเทความร้อน แม้ว่าจะไม่นำความร้อนได้เท่ากับเบริลเลียมออกไซด์ แต่ AlN ก็เสนอทางเลือกที่ปลอดภัยกว่าและคุ้มค่ากว่า นอกจากนี้ AlN ยังเหนือกว่าฉนวนมาตรฐานอื่นๆ เช่น ไมกา โพลีอิไมด์ และอลูมินา ในด้านการจัดการระบายความร้อน

แซฟไฟร์สังเคราะห์ยังได้รับความสนใจเนื่องจากมีราคาไม่แพงและปรับเปลี่ยนได้ในรูปแบบต่างๆ ทำให้แซฟไฟร์สังเคราะห์เป็นอีกหนึ่งผู้เล่นที่มีคุณค่าในอุตสาหกรรมบรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์ วัสดุแต่ละชนิดมีข้อดีเฉพาะตัวในการออกแบบบรรจุภัณฑ์ โดยการควบคุมความร้อนโดยไม่กระทบต่อประสิทธิภาพทางอิเล็กทรอนิกส์เป็นสิ่งสำคัญยิ่ง

แม้ว่าวัสดุขั้นสูง เช่น เพชรและอะลูมิเนียมไนไตรด์จะเป็นแนวหน้าในการจัดการกับความท้าทายด้านความร้อนในอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ แต่โซลูชันทั้งหมดไม่จำเป็นต้องใช้ส่วนประกอบที่แปลกใหม่หรือแข็ง จาระบีและกาวระบายความร้อนทำหน้าที่เป็นเนื้อเยื่อเกี่ยวพันในบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ เติมเต็มช่องว่างเล็กๆ หรือความผิดปกติของพื้นผิว และอำนวยความสะดวกในการถ่ายเทความร้อนระหว่างส่วนประกอบที่มีภูมิประเทศที่แตกต่างกัน ความสามารถในการปรับให้เข้ากับพื้นผิวเป็นส่วนเสริมที่สำคัญสำหรับโซลูชันการจัดการระบายความร้อนที่แข็งแกร่งยิ่งขึ้น ซึ่งก่อให้เกิดแนวทางการกระจายความร้อนที่ครอบคลุม ด้วยการมุ่งเน้นที่การปรับปรุงวัสดุเหล่านี้ นักวิจัยตั้งเป้าที่จะปรับปรุงคุณสมบัติการนำความร้อน ทำให้พวกเขาเป็นพันธมิตรที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นในกระบวนทัศน์การจัดการความร้อน

“จาระบีความร้อนและกาวนำความร้อนเป็นตัวนำความร้อน” ฟรอมม์กล่าวเสริม “แต่เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุอย่างเซรามิกทั่วไปที่เป็นตัวนำความร้อน พวกมันเป็นตัวนำที่แย่มากถึงสิบเท่า วัสดุเหล่านี้ไม่ดีนัก และมีเหตุผลทางกายภาพและเคมีด้วย มีข้อดีหลายอย่างที่ต้องทำสำเร็จ และมีงานมากมายเกิดขึ้นในพื้นที่นั้น”

มองไปข้างหน้า
เนื่องจากวัสดุใหม่ปูทางไปสู่การระบายความร้อน เทคนิคการทำความเย็นที่เป็นนวัตกรรมใหม่ก็กำลังอยู่ในระหว่างการพัฒนาเช่นกัน ช่องไมโครซิลิคอนซึ่งเป็นทางเดินระดับไมโครที่ฝังอยู่ในซับสเตรต สามารถส่งสารหล่อเย็นไปยังใจกลางของฮอตสปอตได้โดยตรง วิธีการระบายความร้อนโดยตรงนี้เหนือกว่าฮีทซิงค์แบบดั้งเดิม แต่มีความท้าทายในการออกแบบ การประกอบ และความน่าเชื่อถือ

ในทำนองเดียวกัน การพัฒนาระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบวงปิดอาจทำให้ส่วนประกอบคงความเย็นโดยไม่มีข้อจำกัดจากวิธีการไหลของอากาศ ระบบเหล่านี้รับประกันอุณหภูมิในการทำงานที่เย็นลงโดยไม่ต้องกังวลเรื่องการควบคุมปริมาณความร้อน แต่มีงานวิจัยมากมายที่ต้องทำทั้งในด้านการออกแบบและการจัดการกระบวนการสำหรับระบบระบายความร้อนด้วยของเหลว

อีกทางเลือกหนึ่งคือการย้อนกลับโครงสร้างของสแต็กดาย ดังนั้นแทนที่จะวางหน่วยความจำไว้บนตรรกะ ตรรกะจะถูกวางไว้บนหน่วยความจำโดยมีแผงระบายความร้อนอยู่ด้านบน ประการหนึ่ง Winbond แนะนำสิ่งนี้ด้วยเทคโนโลยีองค์ประกอบแบนด์วิดท์พิเศษ (CUBE) ที่ปรับแต่งได้ ซึ่งเป็นแนวทางที่มีประสิทธิภาพสูงที่ซ้อน SoC top die เข้ากับหน่วยความจำโดยตรง จากนั้นจะติดกับวัสดุพิมพ์โดยใช้ via-silicon via แนวทางดังกล่าวเป็นไปตามที่ C.S. Lin ผู้บริหารฝ่ายการตลาดของ วินบอนด์ใช้พลังงานน้อยลงจึงลดความร้อนลง นอกจากนี้ ยังช่วยให้ระบายความร้อนออกได้โดยตรง แทนที่จะส่งความร้อนผ่านเขาวงกตของส่วนประกอบที่ต่างกัน

อีกทางเลือกหนึ่งคือใช้การจัดการระบายความร้อนแบบเรียลไทม์ซึ่งขับเคลื่อนโดย AI ขณะนี้อัลกอริธึมสามารถตรวจสอบอุณหภูมิในตำแหน่งต่างๆ บนชิป โดยกำหนดทิศทางทรัพยากรการทำความเย็นแบบไดนามิก เพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพสูงสุดโดยไม่ต้องข้ามเส้นสีแดงความร้อน ตัวอย่างเช่น ProteanTecs เพิ่งเปิดตัวโซลูชันที่มุ่งเป้าไปที่ศูนย์ข้อมูลที่บอกว่าสามารถลดพลังงานในเซิร์ฟเวอร์โดยการลดปริมาณแถบป้องกันที่จำเป็นในการปกป้องชิปจากความร้อนสูงเกินไป วิธีการนี้อาศัยการตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงจากภายในชิปและการปรับเปลี่ยนตามความจำเป็น

Synopsys และ Siemens EDA ยังมีโซลูชันเพื่อติดตามกิจกรรมและการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่แตกต่างกันโดยใช้เซ็นเซอร์ภายใน ความสามารถในการอ่านค่าจากภายในบรรจุภัณฑ์โดยใช้การวัดและส่งข้อมูลทางไกลเป็นองค์ประกอบที่สำคัญมากขึ้นในการจัดการความร้อน

“คุณมีโครงสร้างทางกลของชิปบนชิปและอินเทอร์โพเซอร์ที่มีรอยกระแทกขนาดเล็กหลายพันหรือล้านจุด และพวกมันจะขยายและหดตัวเมื่อชิปอุ่นขึ้น” Swinnen กล่าวเสริม “ความสมบูรณ์ของพลังงานของคุณจะต้องปรับให้เข้ากับโปรไฟล์อุณหภูมิท้องถิ่นแบบเรียลไทม์ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับแผนที่ความร้อนของคุณ คุณสามารถคำนวณได้ว่าชิปจะจ่ายไฟไปเท่าใด แต่อุณหภูมิที่จะให้ชิปนั้นขึ้นอยู่กับเท่าใด มันนั่งอยู่บนจานเย็นหรือกำลังนั่งอยู่กลางแสงแดดในทะเลทรายซาฮารา? ชิปตัวเดียวกันและกิจกรรมเดียวกันสามารถนำไปสู่อุณหภูมิที่แตกต่างกันมากขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อม”

นอกจากนี้ การวิจัยเกี่ยวกับวัสดุเปลี่ยนเฟส ซึ่งดูดซับความร้อนโดยการเปลี่ยนสถานะ สัญญาว่าจะควบคุมอุณหภูมิแบบพาสซีฟแต่มีศักยภาพ ยิ่งไปกว่านั้น การสำรวจระบบทำความเย็นทางชีวภาพโดยพยายามเลียนแบบการตอบสนองของร่างกายมนุษย์ต่อความร้อน ถือเป็นอนาคตที่อุปกรณ์ของเราสามารถกระจายความร้อนตามสัญชาตญาณในขณะที่เราเหงื่อออก

สรุป
เนื่องจากอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ยังคงผลักดันขอบเขตของประสิทธิภาพและการบูรณาการ การจัดการระบายความร้อนภายในบรรจุภัณฑ์ขั้นสูงยังคงเป็นความท้าทาย ด้านหนึ่งของสเปกตรัม ความซับซ้อนด้านความร้อนที่เพิ่มขึ้นเกิดขึ้นเมื่อบริษัทต่างๆ มุ่งสู่โมดูลมัลติชิปที่มีความหนาแน่นมากขึ้น ในทางตรงกันข้าม ความก้าวหน้าในด้านวัสดุศาสตร์และเทคโนโลยีการทำความเย็นที่เป็นนวัตกรรมใหม่มุ่งมั่นที่จะบรรเทาความเครียดจากความร้อนที่เกิดขึ้น ทั้งสองอย่างนี้จำเป็นต้องจัดการกับความท้าทายด้านความร้อนที่ซับซ้อน แต่ยังมีงานอีกมากรออยู่ข้างหน้าเพื่อแก้ไขปัญหานี้ด้วยวิธีที่สม่ำเสมอและคาดเดาได้

— Ed Sperling สนับสนุนรายงานนี้

การอ่านที่เกี่ยวข้อง
การจัดการความเครียดที่เกิดจากความร้อนในชิป
การรวมที่แตกต่างกันและความหนาแน่นที่เพิ่มขึ้นที่โหนดขั้นสูงกำลังสร้างความท้าทายที่ซับซ้อนและยากสำหรับการผลิต IC และการบรรจุหีบห่อ

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai เพิ่มพลังให้กับตัวเอง เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตไอสตรีม. Web3 อัจฉริยะ ขยายความรู้ เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตESG. คาร์บอน, คลีนเทค, พลังงาน, สิ่งแวดล้อม แสงอาทิตย์, การจัดการของเสีย. เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตสุขภาพ เทคโนโลยีชีวภาพและข่าวกรองการทดลองทางคลินิก เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://semiengineering.com/navigating-heat-in-advanced-packaging/