Kaip išspręsti lustų pakavimo šilumines problemas

  Logikos lustai generuoja šilumą, o kuo tankesnė logika ir kuo didesnis apdorojimo elementų panaudojimas, tuo didesnė šiluma. ...
Inžinieriai ieško būdų, kaip efektyviai išsklaidyti šilumą iš sudėtingų modulių.

Kelių lustų įdėjimas vienas šalia kito į tą patį paketą gali palengvinti šilumines problemas, tačiau įmonėms toliau gilinantis į lustų sudėjimą ir tankesnį pakavimą, kad padidintų našumą ir sumažintų galią, jos kovoja su naujomis su šiluma susijusiomis problemomis.

Pažangios pakavimo lustai gali ne tik patenkinti didelio našumo skaičiavimo, dirbtinio intelekto, galios tankio augimo ir kt. poreikius, bet ir pažangių pakuočių šilumos išsklaidymo problemos tapo sudėtingos. Kadangi vienos lusto karštosios vietos turės įtakos gretimų lustų šilumos pasiskirstymui. Sujungimo greitis tarp lustų taip pat yra lėtesnis moduliuose nei SoC.

„Prieš pasauliui įsibėgėjant į tokius dalykus kaip kelių branduolių, jūs turėjote reikalų su lustu, kurio didžiausia galia buvo apie 150 vatų kvadratiniam centimetrui, o tai buvo vieno taško šilumos šaltinis“, – sakė Johnas Parry, elektronikos ir puslaidininkių skyriaus vadovas Johnas Parry. „Siemens Digital Industries“ programinė įranga. Galite išsklaidyti šilumą visomis trimis kryptimis, todėl galite pasiekti gana didelį galios tankį. Bet kai turite lustą ir šalia jo dedate kitą lustą, o paskui dar vieną lustą, jie "jie įkaitina vienas kitą. Tai reiškia, kad negalite toleruoti vienodo kiekvieno lusto galios lygio, todėl šiluminė iššūkis yra daug sunkesnis“.

Tai viena iš pagrindinių priežasčių, dėl kurių rinkoje lėta 3D-IC krovimas. Nors ši koncepcija yra prasminga energijos vartojimo efektyvumo ir integravimo požiūriu ir gerai veikia 3D NAND ir HBM, tai yra kitokia istorija, kai įtraukta logika. Logikos lustai generuoja šilumą, o kuo tankesnė logika ir kuo didesnis apdorojimo elementų panaudojimas, tuo didesnis šiluma. Dėl to loginis sujungimas tampa retas, o tai paaiškina 2,5D flip-chip BGA ir fan-out dizaino populiarumą.

 

 

01 Pasirinkite tinkamą paketą

Lustų dizaineriams yra daug pakavimo galimybių. Tačiau lusto integravimo našumas yra labai svarbus. Tokie komponentai kaip silicis, TSV, variniai stulpai ir kt. turi skirtingus šiluminio plėtimosi koeficientus (TCE), kurie turi įtakos surinkimo išeigai ir ilgalaikiam patikimumui.

Jei atidarysite ir uždarysite dažniau, gali kilti šiluminio ciklo problemų. Spausdintinė plokštė, litavimo rutuliai ir silicis plečiasi ir susitraukia skirtingu greičiu. Todėl normalu matyti šiluminio ciklo gedimus pakuotės kampuose, kur gali įtrūkti litavimo rutuliai. Taigi ten galima įdėti papildomą įžeminimo laidą arba papildomą maitinimo šaltinį.

Šiuo metu populiarus flip-chip BGA paketas su CPU ir HBM yra apie 2500 kvadratinių milimetrų. „Matome, kad vienas didelis lustas gali tapti keturiais ar penkiais mažais lustais“, – sakė „Onto Innovation“ programinės įrangos produktų valdymo direktorius Mike'as McIntyre'as. "Taigi jūs turite turėti daugiau įvesties / išvesties, kad šie lustai galėtų kalbėtis tarpusavyje. Taigi galite paskirstyti šilumą.

Galiausiai aušinimas yra problema, kurią galima išspręsti sistemos lygmeniu, ir tai susiję su daugybe kompromisų.

Tiesą sakant, kai kurie įrenginiai yra tokie sudėtingi, kad sunku lengvai pakeisti komponentus, kad būtų galima pritaikyti šiuos įrenginius konkrečiai taikymo sričiai. Štai kodėl daugelis pažangių pakavimo produktų yra naudojami labai didelės apimties arba kainos atžvilgiu elastingiems komponentams, pvz., serverių lustams.

02 Lustų modulių modeliavimo ir testavimo pažanga

Nepaisant to, inžinieriai ieško naujų būdų, kaip atlikti šiluminę paketų patikimumo analizę prieš gaminant supakuotus modulius. Pavyzdžiui, „Siemens“ pateikia dvigubo ASIC modulio pavyzdį, kuris montuoja ištraukiamąjį perskirstymo sluoksnį (RDL) ant daugiasluoksnio organinio pagrindo BGA pakete. Jame naudojami du modeliai: vienas skirtas RDL pagrindu sukurtam WLP, o kitas – BGA ant daugiasluoksnių organinių substratų. Šie paketų modeliai yra parametriniai, įskaitant pagrindo sluoksnio krūvą ir BGA prieš įvedant EDA informaciją, ir leidžia anksti įvertinti medžiagą ir pasirinkti štampavimo vietą. Tada buvo importuoti EDA duomenys ir kiekvienam modeliui medžiagų žemėlapiai pateikė išsamų vario pasiskirstymo visuose sluoksniuose terminį aprašymą. Galutiniame šilumos išsklaidymo modeliavime (žr. 2 pav.) buvo atsižvelgta į visas medžiagas, išskyrus metalinį dangtelį, TIM ir užpildymo medžiagas.

 

  JCET techninės rinkodaros direktorius Ericas Ouyangas prisijungė prie JCET ir Meta inžinierių, kad palygintų monolitinių lustų, kelių lustų modulių, 2,5D interposerių ir 3D sukrautų lustų su vienu ASIC ir dviem SRAM šilumines charakteristikas. Atliekant palyginimo procesą serverio aplinka, aušintuvas su vakuumine kamera ir TIM išlieka pastovūs. Termiškai, 2,5D ir MCM veikia geriau nei 3D arba monolitiniai lustai. Ouyangas su kolegomis iš JCET sukūrė rezistorių matricą ir galios gaubtinės diagramą (žr. 3 pav.), kurią galima naudoti kuriant ankstyvą modulį, norint nustatyti skirtingų lustų įvesties galios lygius ir nustatyti sandūras prieš daug laiko reikalaujančius šiluminius modeliavimus. Ar galima patikimai derinti temperatūrą. Kaip parodyta paveikslėlyje, saugi zona išryškina kiekvienos lusto galios diapazoną, atitinkantį patikimumo standartus.

Ouyang paaiškino, kad projektavimo proceso metu grandinių projektuotojai gali turėti idėją apie įvairių į modulį įdėtų lustų galios lygius, tačiau gali nežinoti, ar tie galios lygiai neviršija patikimumo ribų. Ši diagrama nustato saugią galios sritį iki trijų lustų lustų modulyje. Komanda sukūrė automatinį galios skaičiuotuvą, skirtą daugiau lustų.

 

03 Kiekybiškai įvertinkite šiluminę varžą

Galime suprasti, kaip šiluma praleidžiama per silicio lustą, plokštę, klijus, TIM arba pakuotės dangtį, ir naudoti standartinius temperatūros skirtumo ir galios funkcijos metodus, kad būtų galima stebėti temperatūros ir atsparumo vertes.

„Šiluminis kelias kiekybiškai įvertinamas trimis pagrindinėmis reikšmėmis – šiluminė varža nuo įrenginio jungties iki aplinkos, šiluminė varža nuo sankryžos iki korpuso [pakuotės viršuje] ir šiluminė varža nuo jungties iki grandinės plokštė“, - sakė JCET Ouyang. šiluminė varža. Jis pažymėjo, kad bent jau JCET klientams reikia θja, θjc ir θjb, kuriuos jie vėliau naudoja kurdami sistemą. Jie gali reikalauti, kad tam tikra šiluminė varža neviršytų tam tikros vertės, ir reikalauti, kad pakuotės dizainas užtikrintų tokį efektyvumą. (Išsamesnės informacijos ieškokite JEDEC JESD51-12, ataskaitų teikimo ir šiluminės pakuotės informacijos naudojimo gairės).

 

  Šiluminis modeliavimas yra ekonomiškiausias būdas ištirti medžiagų pasirinkimą ir derinimą. Imituodami lustą darbinėje būsenoje, dažniausiai randame vieną ar daugiau karštų taškų, todėl po karštosiomis vietomis į pagrindinę medžiagą galime pridėti vario, kad būtų lengviau išsklaidyti šilumą; arba pakeiskite pakavimo medžiagą ir pridėkite aušintuvą. Sistemos integratorius gali nurodyti, kad šiluminės varžos θja, θjc ir θjb neturi viršyti tam tikrų verčių. Paprastai silicio jungties temperatūra turi būti žemesnė nei 125 laipsnių.

Baigus modeliavimą, pakavimo gamykla atlieka eksperimentų planą (DOE), kad gautų galutinį pakavimo sprendimą.

04 Pasirinkite TIM

Pakuotėje daugiau nei 90% šilumos išsklaido per pakuotę nuo lusto viršaus į šilumos šalintuvą, dažniausiai anoduotus aliuminio pagrindu pagamintus vertikalius pelekus. Tarp lusto ir pakuotės dedama didelio šilumos laidumo šiluminės sąsajos medžiaga (TIM), kuri padeda perduoti šilumą. Naujos kartos CPU TIM yra lakštinio metalo lydiniai, tokie kaip indis ir alavas, taip pat sidabru sukepintas alavas, kurių laidumas yra atitinkamai 60 W/mK ir 50 W/mK.

Gamintojams pereinant SoC prie mikroschemų procesų, reikia daugiau skirtingų savybių ir storio TIM.

YoungDo Kweon, vyresnysis Amkor tyrimų ir plėtros direktorius, teigė, kad didelio tankio sistemoms TIM šiluminė varža tarp lusto ir paketo turi didesnį poveikį bendrai supakuoto modulio šiluminei varžai. Galios tendencijos smarkiai didėja, ypač logikos srityje, todėl mes sutelkiame dėmesį į žemos sankryžos temperatūros palaikymą, kad būtų užtikrintas patikimas puslaidininkių veikimas. Nors TIM tiekėjai pateikia savo medžiagų šiluminės varžos vertes, iš tikrųjų šiluminę varžą nuo lusto iki pakuotės (θjc) įtakoja pats surinkimo procesas, įskaitant sukibimo kokybę ir lusto ir TIM kontakto plotą. Jis pažymėjo, kad bandymai su tikrais surinkimo įrankiais ir klijavimo medžiagomis kontroliuojamoje aplinkoje yra labai svarbūs norint suprasti tikrąsias šilumines charakteristikas ir pasirinkti geriausią klientų kvalifikacijos TIM.

Tarpai yra ypatinga problema. Siemens Parry sakė: "Medžiagų naudojimas pakuotėse yra didelis iššūkis. Jau žinome, kad klijų ar klijų medžiagos savybės ir tai, kaip medžiaga drėkina paviršių, turės įtakos bendrai medžiagos šiluminei varžai, Tai yra kontaktinė varža, daug kas priklauso nuo to, kaip medžiaga patenka į paviršių, nesukuriant papildomų pasipriešinimo šilumos srautui.

 

05 Šilumos problemų sprendimas kitaip

Drožlių gamintojai ieško būdų, kaip išspręsti šilumos sklaidos problemą. „Keysight Technologies“ atminties sprendimų programos vadovas Randy White'as sakė: „Pakavimo būdas išlieka toks pat, jei sumažinsite lusto dydį ketvirtadaliu, jis paspartės. Gali būti tam tikrų signalo vientisumo skirtumų. Dėl išorinių paketo raktų Jungiamasis laidas patenka į lustą, tuo didesnis induktyvumas, taigi, kaip išsklaidyti tiek energijos pakankamai mažoje erdvėje. Tai dar vienas svarbus parametras, kurį reikia ištirti “.

Tai paskatino daug investuoti į pažangiausius klijavimo tyrimus, daugiausia dėmesio skiriant hibridiniams rišimams. Tačiau hibridinis sujungimas yra brangus ir apsiriboja didelio našumo procesoriaus tipo programomis, o TSMC šiuo metu yra viena iš vienintelių įmonių, siūlančių šią technologiją. Tačiau perspektyvos sujungti fotonus ant CMOS lustų arba galio nitridą ant silicio yra daug žadančios.

06 Išvada

Pradinė pažangios pakuotės idėja yra ta, kad ji veiks kaip „Lego“ kaladėlės – skirtinguose proceso mazguose sukurtus lustus galima surinkti kartu ir sušvelninti šiluminius klausimus. Tačiau tai kainuoja. Veiklos ir galios požiūriu svarbus atstumas, kurį turi nukeliauti signalas, o grandinės, kurios visada yra įjungtos arba turi likti iš dalies atviros, gali turėti įtakos šiluminiam našumui. Padalyti lustą į kelias dalis, siekiant padidinti derlių ir lankstumą, nėra taip paprasta, kaip atrodo. Kiekvienas paketo sujungimas turi būti optimizuotas, o viešosios interneto prieigos taškai nebeapsiriboja vienu lustu.

Ankstyvieji modeliavimo įrankiai gali būti naudojami siekiant atmesti įvairius lustų derinius, o tai suteiktų didelį postūmį sudėtingų modulių dizaineriams. Šioje nuolat didėjančio galios tankio eroje šiluminis modeliavimas ir naujų TIM diegimas išliks būtini.