Çip paketlemenin termal sorunları nasıl çözülür?
Mantık çipleri ısı üretir ve mantık ne kadar yoğunsa ve işleme elemanlarının kullanımı ne kadar yüksek olursa ısı da o kadar büyük olur. ...
Mühendisler, karmaşık modüllerdeki ısıyı verimli bir şekilde dağıtmanın yollarını arıyor.
Aynı pakete birden fazla çipin yan yana yerleştirilmesi termal sorunları hafifletebilir, ancak şirketler performansı artırmak ve gücü azaltmak için çip istifleme ve daha yoğun paketlemeye daha fazla yöneldikçe, ısıyla ilgili yeni bir dizi sorunla mücadele ediyorlar.
Gelişmiş paketleme çipleri yalnızca yüksek performanslı bilgi işlem, yapay zeka, güç yoğunluğu artışı vb. ihtiyaçlarını karşılamakla kalmıyor, aynı zamanda gelişmiş paketlemenin ısı dağıtımı sorunları da karmaşık hale geliyor. Çünkü bir çip üzerindeki sıcak noktalar, bitişik çiplerin ısı dağılımını etkileyecektir. Yongalar arasındaki ara bağlantı hızı da modüllerde SoC'lere göre daha yavaştır.
Elektronik ve Yarı İletkenler Başkanı John Parry, "Dünya çok çekirdekli işlere girmeden önce, maksimum gücü santimetre kare başına yaklaşık 150 watt olan ve tek noktalı bir ısı kaynağı olan bir çiple uğraşıyordunuz" dedi. Siemens Dijital Endüstri Yazılımı. Isıyı her üç yöne de dağıtabilirsiniz, böylece oldukça yüksek güç yoğunlukları elde edebilirsiniz. Ama bir çipiniz var ve onun yanına bir çip daha koyduğunuzda ve onun yanına başka bir çip daha koyduğunuzda, "Birbirlerini ısıtıyorlar. Bu, her çip için aynı güç seviyesini tolere edemeyeceğiniz anlamına geliyor, bu da termal meydan okumak çok daha zor."
Bu, piyasada 3D-IC istiflemenin yavaş ilerlemesinin ana nedenlerinden biridir. Konsept, güç verimliliği ve entegrasyon açısından anlamlı olsa da ve 3D NAND ve HBM'de iyi çalışsa da, mantık dahil edildiğinde farklı bir hikaye ortaya çıkıyor. Mantık çipleri ısı üretir ve mantık ne kadar yoğunsa ve işleme elemanlarının kullanımı ne kadar yüksek olursa, ısı da o kadar fazla olur. Bu, mantık istiflemeyi nadir hale getirir ve bu da 2.5D flip-chip BGA ve çıkış tasarımlarının popülerliğini açıklar.
01 Doğru paketi seçin
Çip tasarımcıları için birçok paketleme seçeneği vardır. Ancak çip entegrasyonunun performansı çok önemlidir. Silikon, TSV'ler, bakır sütunlar vb. bileşenlerin tümü farklı termal genleşme katsayılarına (TCE) sahiptir ve bu, montaj verimini ve uzun vadeli güvenilirliği etkiler.
Daha yüksek bir frekansta açıp kapatırsanız termal döngü sorunlarıyla karşılaşabilirsiniz. Baskılı devre kartı, lehim topları ve silikonun tümü farklı oranlarda genişler ve büzülür. Bu nedenle paketin lehim toplarının çatlayabileceği köşelerinde termal döngü arızalarının görülmesi normaldir. Yani oraya fazladan bir topraklama kablosu veya ekstra bir güç kaynağı yerleştirilebilir.
Şu anda popüler olan CPU ve HBM'li flip-chip BGA paketi yaklaşık 2500 milimetre karelik bir alana sahip. Onto Innovation'ın yazılım ürün yönetimi direktörü Mike McIntyre, "Büyük bir çipin potansiyel olarak dört veya beş küçük çipe dönüşebileceğini görüyoruz" dedi. "Yani bu çiplerin birbirleriyle konuşmasını sağlamak için daha fazla giriş/çıkışa sahip olmanız gerekiyor. Böylece ısıyı paylaştırabilirsiniz.
Sonuçta soğutma, sistem düzeyinde çözülebilecek bir sorundur ve bir dizi ödünleşimi beraberinde getirir.
Aslında bazı cihazlar o kadar karmaşıktır ki, bu cihazları belirli bir uygulama alanına göre uyarlamak amacıyla bileşenlerini kolayca değiştirmek zordur. Sunucu çipleri gibi çok yüksek hacimli veya fiyat açısından esnek bileşenler için birçok gelişmiş paketleme ürününün kullanılmasının nedeni budur.
02 Çip modülü simülasyonu ve testlerinde ilerleme
Bununla birlikte mühendisler, paketlenmiş modüller üretilmeden önce paket güvenilirliğinin termal analizini yapmanın yeni yollarını arıyorlar. Örneğin Siemens, bir BGA paketindeki çok katmanlı bir organik alt tabaka üzerine bir yayılma yeniden dağıtım katmanını (RDL) monte eden çift ASIC tabanlı bir modül örneğini sunuyor. Biri RDL tabanlı WLP için, diğeri ise çok katmanlı organik substratlar üzerinde BGA için olmak üzere iki model kullanır. Bu paket modelleri, EDA bilgisi verilmeden önce alt tabaka katman yığını ve BGA dahil olmak üzere parametriktir ve erken malzeme değerlendirmesi ve kalıp yerleştirme seçimini mümkün kılar. Daha sonra EDA verileri içe aktarıldı ve her model için malzeme haritaları, tüm katmanlardaki bakır dağılımının ayrıntılı bir termal tanımını sağladı. Nihai ısı dağılımı simülasyonu (bkz. Şekil 2), metal kapak, TIM ve alt dolgu malzemeleri dışındaki tüm malzemeleri dikkate aldı.
JCET Teknik Pazarlama Direktörü Eric Ouyang, monolitik çiplerin, çoklu çip modüllerinin, 2.5D aracıların ve 3D yığılmış çiplerin termal performansını bir ASIC ve iki SRAM ile karşılaştırmak için JCET ve Meta mühendislerine katıldı. Karşılaştırma işlemi sunucu ortamını, vakum hazneli ısı emiciyi ve TIM'i sabit tutar. Termal açıdan 2,5D ve MCM, 3D veya monolitik çiplerden daha iyi performans gösterir. JCET'teki Ouyang ve meslektaşları, zaman alıcı termal simülasyonlardan önce farklı çiplerin giriş gücü seviyelerini belirlemek ve bağlantı noktalarını ayarlamak için erken modül tasarımında kullanılabilecek bir direnç matrisi ve güç zarfı diyagramı (bkz. Şekil 3) tasarladılar. Sıcaklığın güvenilir bir şekilde birleştirilip birleştirilemeyeceği. Şekilde gösterildiği gibi güvenli bölge, her çipin güvenilirlik standartlarını karşılayan güç aralığını vurgular.
Ouyang, tasarım sürecinde devre tasarımcılarının modüle yerleştirilen çeşitli yongaların güç seviyeleri hakkında fikir sahibi olabileceğini ancak bu güç seviyelerinin güvenilirlik sınırları dahilinde olup olmadığını bilemeyebileceğini açıkladı. Bu şema, bir çiplet modülündeki üç çipe kadar güvenli güç alanını belirler. Ekip daha fazla çip için otomatik bir güç hesaplayıcı geliştirdi.
03 Termal direnci ölçün
Isının silikon çip, devre kartı, yapıştırıcı, TIM veya paket kapağı yoluyla nasıl iletildiğini anlayabilir ve sıcaklık ve direnç değerlerini izlemek için standart sıcaklık farkı ve güç fonksiyonu yöntemlerini kullanabiliriz.
"Termal yol üç temel değerle ölçülür: cihazın bağlantı noktasından çevreye olan termal direnç, bağlantı noktasından kasaya [paketin üst kısmındaki] termal direnç ve bağlantı noktasından çevreye olan termal direnç. devre kartı" dedi JCET'ten Ouyang. termal direnç. JCET müşterilerinin en azından θja, θjc ve θjb'ye ihtiyaç duyduğunu ve daha sonra bunları sistem tasarımında kullandıklarını belirtti. Belirli bir termal direncin belirli bir değeri aşmamasını ve paket tasarımının bu performansı sağlamasını gerektirebilirler. (Ayrıntılar için JEDEC'in JESD51-12, Paket Termal Bilgilerini Raporlama ve Kullanma Yönergeleri'ne bakın).
Termal simülasyon, malzemelerin seçimi ve eşleştirilmesinin araştırılmasının en ekonomik yoludur. Çipi çalışma durumunda simüle ederek genellikle bir veya daha fazla sıcak nokta buluruz, böylece ısı dağılımını kolaylaştırmak için sıcak noktaların altındaki taban malzemesine bakır ekleyebiliriz; veya ambalaj malzemesini değiştirip bir ısı emici ekleyin. Sistem entegratörü, θja, θjc ve θjb termal dirençlerinin belirli değerleri aşmaması gerektiğini belirtebilir. Normalde silikon bağlantı sıcaklığı 125 derecenin altında tutulmalıdır.
Simülasyon tamamlandıktan sonra paketleme fabrikası, nihai paketleme çözümüne ulaşmak için bir deney tasarımı (DOE) yürütür.
04 TIM'i seçin
Bir pakette, ısının %90'ından fazlası paket boyunca çipin üst kısmından genellikle anotlanmış alüminyum bazlı dikey kanatçıklar olan bir ısı emiciye dağıtılır. Isı transferine yardımcı olmak için çip ile paket arasına yüksek termal iletkenliğe sahip bir termal arayüz malzemesi (TIM) yerleştirilir. CPU'lara yönelik yeni nesil TIM'ler, sırasıyla 60W/mK ve 50W/mK iletkenliklere sahip indiyum ve kalay gibi metal levha alaşımlarının yanı sıra gümüş sinterlenmiş kalay içerir.
Üreticiler SoC'leri chiplet işlemlerine geçirdikçe, farklı özelliklere ve kalınlıklara sahip daha fazla TIM'e ihtiyaç duyuluyor.
Amkor Ar-Ge kıdemli direktörü YoungDo Kweon, yüksek yoğunluklu sistemler için TIM'in çip ile paket arasındaki termal direncinin, paketlenmiş modülün genel termal direnci üzerinde daha büyük bir etkiye sahip olduğunu söyledi. Güç eğilimleri, özellikle mantık açısından önemli ölçüde artıyor; bu nedenle, güvenilir yarı iletken çalışmayı sağlamak için bağlantı sıcaklıklarını düşük tutmaya odaklanıyoruz. TIM tedarikçileri malzemeleri için termal direnç değerleri sağlasa da gerçekte çipten pakete kadar olan termal direnç (θjc), çip ile TIM arasındaki bağlantı kalitesi ve temas alanı da dahil olmak üzere montaj sürecinin kendisinden etkilenir. Kontrollü bir ortamda gerçek montaj araçları ve yapıştırma malzemeleriyle test yapılmasının, gerçek termal performansı anlamak ve müşteri yeterliliği için en iyi TIM'i seçmek açısından kritik öneme sahip olduğunu belirtti.
Boşluklar özel bir sorundur. Siemens'ten Parry şunları söyledi: "Ambalajda malzemelerin kullanımı büyük bir zorluk. Yapıştırıcının veya tutkalın malzeme özelliklerinin ve malzemenin yüzeyi ıslatma şeklinin, malzemenin sunduğu genel termal direnci etkileyeceğini zaten biliyoruz. yani temas direnci, malzemenin ısı akışına ek direnç oluşturan kusurlar yaratmadan yüzeye nasıl aktığına bağlıdır."
05 Isı sorunlarıyla farklı şekilde başa çıkmak
Yonga üreticileri ısı dağılımı sorununu çözmenin yollarını arıyor. Keysight Technologies bellek çözümleri program yöneticisi Randy White, şunları söyledi: "Paketleme yöntemi aynı kalıyor, çip boyutunu dörtte bir oranında azaltırsanız hızlanacaktır. Bazı sinyal bütünlüğü farklılıkları olabilir. Harici paket anahtarlarından dolayı Bağlama teli çipin içine girer ve tel ne kadar uzun olursa, endüktans da o kadar büyük olur, yani elektriksel performans kısmı vardır. Peki, bu kadar enerjiyi yeterince küçük bir alanda nasıl dağıtırsınız? Bu da üzerinde çalışılması gereken bir diğer önemli parametredir. "
Bu, görünüşe göre hibrit bağlanmaya odaklanan son teknoloji bağlanma araştırmalarına önemli yatırım yapılmasına yol açtı. Ancak hibrit birleştirme pahalıdır ve yüksek performanslı işlemci tipi uygulamalarla sınırlı kalmaktadır; TSMC şu anda bu teknolojiyi sunan tek şirketten biridir. Bununla birlikte, fotonların CMOS çipleri üzerinde veya galyum nitrürün silikon üzerinde birleştirilmesi umut vericidir.
06 Sonuç
Gelişmiş paketlemeye yönelik ilk fikir, Lego tuğlaları gibi çalışması; farklı süreç düğümlerinde geliştirilen çiplerin bir araya getirilebilmesi ve termal sorunların hafifletilmesidir. Ancak bunun bir bedeli var. Performans ve güç açısından bakıldığında, sinyalin kat etmesi gereken mesafe önemlidir ve her zaman açık olan veya kısmen açık kalması gereken devreler termal performansı etkileyebilir. Verimi ve esnekliği artırmak için bir çipi birden fazla parçaya bölmek göründüğü kadar basit değildir. Paketteki her ara bağlantının optimize edilmesi gerekiyor ve erişim noktaları artık tek bir çiple sınırlı değil.
Farklı çip kombinasyonlarını ortadan kaldırmak için erken modelleme araçları kullanılabilir ve bu da karmaşık modül tasarımcılarına büyük bir destek sağlar. Güç yoğunluklarının sürekli arttığı bu çağda, termal simülasyon ve yeni TIM'lerin kullanıma sunulması hayati önemde olmaya devam edecek.
