Hvordan løse de termiske problemene med chipemballasje

  Logikkbrikker genererer varme, og jo tettere logikken er og jo høyere utnyttelse av prosesselementene er, desto større varme. ...
Ingeniører leter etter måter å effektivt spre varme fra komplekse moduler.

Plassering av flere brikker side ved side i samme pakke kan lindre termiske problemer, men ettersom selskaper fordyper seg videre i brikkestabling og tettere emballasje for å øke ytelsen og redusere kraften, kjemper de mot et nytt sett med varmerelaterte problemer.

Avanserte emballasjebrikker kan ikke bare møte behovene til høyytelses databehandling, kunstig intelligens, krafttetthetsvekst, etc., men varmespredningsproblemene til avansert emballasje har også blitt komplekse. Fordi varme punkter på en brikke vil påvirke varmefordelingen til tilstøtende brikker. Sammenkoblingshastigheten mellom brikker er også langsommere i moduler enn i SoCs.

"Før verden gikk inn i ting som multi-core, hadde du å gjøre med en brikke som hadde en maksimal effekt på rundt 150 watt per kvadratcentimeter, som var en enkeltpunkts varmekilde," sa John Parry, leder for elektronikk og halvledere ved Siemens Digital Industries-programvare. Du kan spre varme i alle tre retninger, slik at du kan oppnå ganske høye effekttettheter. Men når du har en brikke og legger en annen brikke ved siden av den, og så setter en annen brikke ved siden av, de "De varmer hverandre opp. Det betyr at du ikke tåler det samme effektnivået for hver brikke, noe som gjør at den termiske utfordring mye vanskeligere."

Dette er en av hovedårsakene til den langsomme utviklingen av 3D-IC-stabling i markedet. Selv om konseptet gir mening fra et strømeffektivitets- og integrasjonsperspektiv – og fungerer godt i 3D NAND og HBM – er det en annen historie når logikken er inkludert. Logikkbrikker genererer varme, og jo tettere logikken er og jo høyere utnyttelse av prosesseringselementene er, desto større er varmen. Dette gjør logisk stabling sjelden, noe som forklarer populariteten til 2.5D flip-chip BGA og fan-out design

 

 

01 Velg riktig pakke

For brikkedesignere er det mange emballasjealternativer. Men ytelsen til brikkeintegrasjon er avgjørende. Komponenter som silisium, TSV-er, kobbersøyler osv. har alle forskjellige termiske ekspansjonskoeffisienter (TCE), noe som påvirker monteringsutbytte og langsiktig pålitelighet.

Hvis du åpner og lukker med en høyere frekvens, kan du få problemer med termisk sykling. Det trykte kretskortet, loddekulene og silisiumet ekspanderer og trekker seg sammen med forskjellige hastigheter. Derfor er det normalt å se termiske syklusfeil i hjørnene på pakken, hvor loddekulene kan sprekke. Så man kan sette en ekstra jordledning der eller en ekstra strømforsyning.

Den for tiden populære flip-chip BGA-pakken med CPU og HBM har et areal på rundt 2500 kvadratmillimeter. "Vi ser en stor brikke potensielt bli fire eller fem små brikker," sa Mike McIntyre, direktør for programvareproduktadministrasjon hos Onto Innovation. "Så du må ha mer I/O for å la disse brikkene snakke med hverandre. Så du kan allokere varme.

Til syvende og sist er kjøling et problem som kan håndteres på systemnivå, og det kommer med en rekke avveininger.

Faktisk er noen enheter så komplekse at det er vanskelig å enkelt erstatte komponenter for å tilpasse disse enhetene til et spesifikt bruksområde. Dette er grunnen til at mange avanserte emballasjeprodukter brukes til komponenter med svært høyt volum eller priselastiske komponenter, som serverbrikker.

02 Fremgang i simulering og testing av brikkemoduler

Ikke desto mindre leter ingeniører etter nye måter å utføre termisk analyse av pakkens pålitelighet før pakkede moduler produseres. For eksempel gir Siemens et eksempel på en dual-ASIC-basert modul som monterer et fan-out redistribution layer (RDL) på et flerlags organisk substrat i en BGA-pakke. Den bruker to modeller, en for RDL-basert WLP og den andre for BGA på flerlags organiske underlag. Disse pakkemodellene er parametriske, inkludert substratlagstabelen og BGA før EDA-informasjon introduseres, og muliggjør tidlig materialevaluering og valg av formplassering. Deretter ble EDA-data importert, og for hver modell ga materialkart en detaljert termisk beskrivelse av kobberfordelingen i alle lag. Den endelige varmespredningssimuleringen (se figur 2) tok for seg alle materialer unntatt metallhetten, TIM og underfyllingsmaterialer.

 

  JCETs tekniske markedsdirektør Eric Ouyang ble med JCET og Meta-ingeniører for å sammenligne den termiske ytelsen til monolittiske brikker, multi-chip moduler, 2.5D interposers og 3D stablede brikker med en ASIC og to SRAM. Sammenligningsprosessen holder servermiljøet, kjøleribbe med vakuumkammer og TIM konstant. Termisk sett gir 2,5D og MCM bedre resultater enn 3D eller monolittiske brikker. Ouyang og kolleger ved JCET designet en motstandsmatrise og effektomhyllingsdiagram (se figur 3) som kan brukes i tidlig moduldesign for å bestemme inngangseffektnivåene til forskjellige brikker og sette kryss før tidkrevende termiske simuleringer. Om temperaturen kan kombineres pålitelig. Som vist i figuren, fremhever en sikker sone effektområdet på hver brikke som oppfyller pålitelighetsstandarder.

Ouyang forklarte at under designprosessen kan kretsdesignere ha en ide om effektnivåene til de forskjellige brikkene som er plassert i modulen, men kanskje ikke vite om disse effektnivåene er innenfor pålitelighetsgrensene. Dette diagrammet bestemmer det sikre strømområdet for opptil tre brikker i en brikkemodul. Teamet har utviklet en automatisk kraftkalkulator for flere sjetonger.

 

03 Kvantifiser termisk motstand

Vi kan forstå hvordan varme ledes gjennom silisiumbrikken, kretskortet, limet, TIM eller pakkelokket, og bruke standardmetoder for temperaturforskjell og effektfunksjon for å spore temperatur- og motstandsverdier.

"Den termiske banen kvantifiseres ved tre nøkkelverdier - den termiske motstanden fra enhetskrysset til omgivelsene, den termiske motstanden fra krysset til kassen [på toppen av pakken], og den termiske motstanden fra krysset til kretskort," sa JCETs Ouyang. termisk motstand. Han bemerket at JCETs kunder som et minimum krever θja, θjc og θjb, som de deretter bruker i systemdesign. De kan kreve at en gitt termisk motstand ikke overstiger en spesifikk verdi og krever at pakkedesignet gir den ytelsen. (Se JEDECs JESD51-12, retningslinjer for rapportering og bruk av termisk pakkeinformasjon for detaljer).

 

  Termisk simulering er den mest økonomiske måten å utforske valg og matching av materialer. Ved å simulere brikken i arbeidstilstand finner vi vanligvis en eller flere hot spots, slik at vi kan legge kobber til grunnmaterialet under hot spots for å lette varmespredningen; eller bytt emballasjemateriale og legg til en kjøleribbe. Systemintegratoren kan spesifisere at de termiske motstandene θja, θjc og θjb ikke må overskride visse verdier. Normalt bør silisiumforbindelsestemperaturen holdes under 125 grader.

Etter at simuleringen er fullført, gjennomfører emballasjefabrikken et design av eksperimenter (DOE) for å komme frem til den endelige emballasjeløsningen.

04 Velg TIM

I en pakke spres mer enn 90 % av varmen gjennom pakken fra toppen av brikken til en kjøleribbe, vanligvis anodiserte aluminiumbaserte vertikale finner. Et termisk grensesnittmateriale (TIM) med høy termisk ledningsevne er plassert mellom brikken og pakken for å hjelpe til med å overføre varme. Neste generasjons TIM-er for CPU-er inkluderer platelegeringer som indium og tinn, samt sølvsintret tinn, med konduktiviteter på henholdsvis 60W/mK og 50W/mK.

Etter hvert som produsenter overfører SoC-er til chiplet-prosesser, trengs flere TIM-er med forskjellige egenskaper og tykkelser.

YoungDo Kweon, senior direktør for FoU hos Amkor, sa at for systemer med høy tetthet har den termiske motstanden til TIM mellom brikken og pakken en større innvirkning på den totale termiske motstanden til den pakkede modulen. Strømtrender øker dramatisk, spesielt for logikk, så vi fokuserer på å holde overgangstemperaturene lave for å sikre pålitelig halvlederdrift. Selv om TIM-leverandører oppgir termiske motstandsverdier for materialene sine, påvirkes i virkeligheten den termiske motstanden fra brikke til pakke (θjc) av selve monteringsprosessen, inkludert bindingskvaliteten og kontaktområdet mellom brikken og TIM. Han bemerket at testing med faktiske monteringsverktøy og bindematerialer i et kontrollert miljø er avgjørende for å forstå faktisk termisk ytelse og velge den beste TIM for kundekvalifisering.

Gap er et spesielt problem. Siemens' Parry sa: "Bruk av materialer i emballasje er en stor utfordring. Vi vet allerede at materialegenskapene til limet eller limet, og måten materialet fukter overflaten på, vil påvirke den generelle termiske motstanden som materialet presenterer, det vil si kontaktmotstanden. Mye avhenger av hvordan materialet flyter inn i overflaten uten å skape ufullkommenhet som skaper ekstra motstand mot varmestrømmen.

 

05 Håndtere varmeproblemer annerledes

Chipmakere leter etter måter å løse varmespredningsproblemet på. Randy White, programleder for minneløsninger hos Keysight Technologies, sa: "Pakkemetoden forblir den samme, hvis du reduserer brikkestørrelsen med en fjerdedel, vil den øke hastigheten. Det kan være noen signalintegritetsforskjeller. På grunn av de eksterne pakkenøklene Bindingstråden går inn i brikken, og jo lenger ledningen er, jo større er induktansen, så det er den elektriske ytelsesdelen. Så hvordan sprer du så mye energi på en liten nok plass. Det er en annen nøkkelparameter som må studeres ."

Dette har ført til betydelige investeringer i banebrytende bindingsforskning, tilsynelatende med fokus på hybridbinding. Men hybridbinding er dyrt og forblir begrenset til høyytelses prosessor-type applikasjoner, med TSMC for tiden et av de eneste selskapene som tilbyr denne teknologien. Men utsiktene for å kombinere fotoner på CMOS-brikker eller galliumnitrid på silisium er lovende.

06 Konklusjon

Den første ideen for avansert emballasje er at den vil fungere som legoklosser - brikker utviklet ved forskjellige prosessnoder kan settes sammen og termiske problemer vil bli lindret. Men dette har en kostnad. Fra et ytelses- og kraftperspektiv er avstanden signalet trenger for å reise viktig, og kretser som alltid er på, eller må forbli delvis åpne, kan påvirke termisk ytelse. Å dele en brikke i flere deler for å øke utbyttet og fleksibiliteten er ikke så enkelt som det ser ut til. Hver sammenkobling i pakken må optimaliseres, og hotspots er ikke lenger begrenset til en enkelt brikke.

Tidlige modelleringsverktøy kan brukes til å utelukke forskjellige kombinasjoner av brikker, noe som gir designere av komplekse moduler et stort løft. I denne epoken med stadig økende krafttettheter, vil termisk simulering og introduksjonen av nye TIM-er fortsatt være avgjørende.