Çip paketlemenin termal sorunu nasıl çözülür?
Gelişmiş paketleme çipleri yalnızca yüksek performanslı bilgi işlem, yapay zeka, güç yoğunluğu artışı vb. ihtiyaçlarını karşılamakla kalmıyor, aynı zamanda gelişmiş paketlemenin ısı dağıtımı sorunlarını da karmaşık hale getiriyor. Çünkü bir çip üzerindeki sıcak nokta, komşu çiplerin ısı dağılımını etkileyebilir. Yongalar arasındaki ara bağlantı hızı da modüllerde SoC'ye göre daha yavaştır.
Mühendisler, karmaşık modüllerdeki ısıyı dağıtmanın etkili yollarını arıyor. Aynı pakete birden fazla çipin yan yana yerleştirilmesi termal sorunları hafifletebilir ancak şirket, performansı artırmak ve gücü azaltmak için çip istifleme ve daha yoğun paketlemeye yöneldikçe, ısıyla ilgili bir dizi yeni sorunla mücadele ediyor.
CPU ve HBM'li mevcut popüler flip BGA paketleme alanı yaklaşık 2500 milimetrekaredir. Büyük bir çipin dört veya beş küçük çip haline gelebileceğini görüyoruz. Dolayısıyla bu çiplerin birbirleriyle iletişim kurabilmesi için daha fazla I/O'ya sahip olmak gerekiyor. Böylece ısıyı dağıtabilirsiniz. Aslında bazı cihazlar o kadar karmaşıktır ki, bu cihazları belirli saha uygulamalarına göre özelleştirmek amacıyla bileşenlerin kolayca değiştirilmesi zordur. Sunucu çipleri gibi çok büyük miktarlara veya fiyat esnekliğine sahip bileşenler için birçok gelişmiş paketleme ürününün kullanılmasının nedeni budur.
Tasarım süreci sırasında devre tasarımcıları, modüle yerleştirilen çeşitli çiplerin güç seviyelerine ilişkin bir kavrama sahip olabilir ancak bu güç seviyelerinin güvenilirlik aralığında olup olmadığını bilemeyebilirler. Bu nedenle mühendisler, ambalaj modüllerini üretmeden önce ambalaj güvenilirliğinin termal analizini yapmak için yeni yöntemler arıyorlar. Termal simülasyon sayesinde, sıcaklık ve direnç değerlerini izlemek için sıcaklık farkı ve güç fonksiyonu gibi standart yöntemleri kullanırken, silikon çipler, devre kartları, yapıştırıcılar, TIM'ler veya ambalaj kapakları aracılığıyla ısının nasıl iletildiğini anlayabiliriz.
Termal simülasyon, malzemelerin seçimi ve eşleştirilmesinin araştırılmasında en ekonomik yöntemdir. Çipleri çalışma durumlarında simüle ederek, genellikle bir veya daha fazla sıcak nokta keşfederiz, böylece ısı dağıtımını kolaylaştırmak için sıcak noktaların altındaki alt tabakaya bakır ekleyebiliriz; Veya ambalaj malzemesini değiştirin ve bir ısı emici ekleyin.
Paketlemede, ısının %90'ından fazlası çipin üst kısmından ısı emiciye, genellikle anodize alüminyum oksit bazlı dikey bir kanatçık aracılığıyla ambalaj aracılığıyla dağıtılır. Isı transferine yardımcı olmak için çip ile paket arasına yüksek termal iletkenliğe sahip bir termal arayüz malzemesi (TIM) yerleştirilir. CPU'lar için yeni nesil TIM, sırasıyla 60W/mK ve 50W/mK iletkenliğe sahip metal levha alaşımlarının (indiyum ve kalay gibi) yanı sıra gümüş sinterlenmiş kalay içerir.
Gelişmiş paketlemenin ilk konsepti, LEGO yapı taşları gibi çalışacak; farklı süreç düğümlerinde geliştirilen çipler bir araya getirilebilecek ve termal sorunlar hafifletilecek. Ancak bunun bir bedeli var. Performans ve güç açısından bakıldığında, sinyalin yayılması gereken mesafe çok önemlidir ve devre her zaman açık kalır veya kısmen açık olması gerekir, bu da termal performansı etkileyebilir. Üretimi ve esnekliği artırmak için talaşları birden fazla parçaya bölmek göründüğü kadar basit değildir. Paketlemedeki her ara bağlantının optimize edilmesi gerekiyor ve sıcak noktalar artık tek bir çiple sınırlı değil.
Erken modelleme araçları, farklı çip kombinasyonlarını hariç tutmak için kullanılabilir ve bu da karmaşık modül tasarımcıları için büyük bir itici güç sağlar. Güç yoğunluğunun sürekli arttığı bu çağda, termal simülasyon ve yeni TIM'lerin tanıtılması hala gerekli olacaktır.
