Як вирішити теплові проблеми упаковки мікросхем
Логічні мікросхеми виробляють тепло, і чим щільніша логіка та вище використання елементів обробки, тим більше тепла. ...
Інженери шукають способи ефективного відведення тепла від складних модулів.
Розміщення кількох чіпів поруч в одній упаковці може зменшити проблеми з нагріванням, але в міру того, як компанії все більше заглиблюються в укладання чіпів і більш щільне пакування для підвищення продуктивності та зменшення потужності, вони борються з новим набором проблем, пов’язаних з нагріванням.
Удосконалені пакувальні чіпи можуть не тільки задовольнити потреби у високопродуктивних обчисленнях, штучному інтелекті, зростанні щільності потужності тощо, але й проблеми розсіювання тепла вдосконаленої упаковки також стали складнішими. Оскільки гарячі точки на одному чіпі впливатимуть на розподіл тепла сусідніх чіпів. Швидкість з’єднання між мікросхемами також нижча в модулях, ніж у SoC.
«До того, як світ почав займатися такими речами, як багатоядерність, ви мали справу з чіпом, максимальна потужність якого становила близько 150 Вт на квадратний сантиметр, який був одноточковим джерелом тепла», — сказав Джон Паррі, керівник відділу електроніки та напівпровідників компанії Програмне забезпечення Siemens Digital Industries. Ви можете розсіювати тепло в усіх трьох напрямках, тому ви можете досягти досить високої щільності потужності. Але коли у вас є чіп і ви поміщаєте інший чіп поруч із ним, а потім ставите ще один чіп поруч із ним, вони «Вони нагрівають один одного. Це означає, що ви не можете терпіти однаковий рівень потужності для кожного чіпа, що призводить до теплового виклик набагато складніший».
Це одна з головних причин повільного розвитку стекування 3D-IC на ринку. Хоча ця концепція має сенс з точки зору енергоефективності та інтеграції - і добре працює в 3D NAND і HBM - це інша історія, якщо включити логіку. Логічні мікросхеми виробляють тепло, і чим щільніша логіка та вище використання процесорних елементів, тим більше тепла. Це робить логічне стекування рідкісним, що пояснює популярність 2,5D фліп-чіпів BGA та конструкцій, що розходяться.
01 Виберіть правильний пакет
Для розробників чіпів є багато варіантів упаковки. Але продуктивність інтеграції мікросхем має вирішальне значення. Такі компоненти, як кремній, TSV, мідні опори тощо, мають різні коефіцієнти термічного розширення (TCE), що впливає на продуктивність збірки та довгострокову надійність.
Якщо ви відкриваєте та закриваєте з вищою частотою, ви можете зіткнутися з проблемами теплового циклу. Друкована плата, кульки припою та кремній розширюються та стискаються з різною швидкістю. Таким чином, нормально спостерігати термоциклічні збої в кутах упаковки, де кульки припою можуть тріснути. Тож можна поставити туди додатковий провід заземлення або додаткове джерело живлення.
Популярний в даний час фліп-чіп BGA корпус з CPU і HBM має площу близько 2500 квадратних міліметрів. «Ми бачимо, що одна велика мікросхема потенційно перетворюється на чотири або п’ять маленьких мікросхем», — сказав Майк Макінтайр, директор з управління програмними продуктами Onto Innovation. «Тож вам потрібно мати більше вводу/виводу, щоб дозволити цим чіпам спілкуватися один з одним. Таким чином, ви можете розподіляти тепло.
Зрештою, охолодження — це проблема, яку можна вирішити на системному рівні, і вона передбачає низку компромісів.
Фактично, деякі пристрої настільки складні, що важко легко замінити компоненти, щоб налаштувати ці пристрої для певної сфери застосування. Ось чому багато передових пакувальних продуктів використовуються для дуже великих обсягів або еластичних за ціною компонентів, таких як серверні мікросхеми.
02 Прогрес у моделюванні та тестуванні модуля мікросхеми
Тим не менш, інженери шукають нові способи проведення теплового аналізу надійності упаковки перед виготовленням упакованих модулів. Наприклад, компанія Siemens надає приклад модуля на основі подвійних ASIC, який монтує шар перерозподілу вентилятора (RDL) на багатошаровій органічній підкладці в корпусі BGA. Він використовує дві моделі: одну для WLP на основі RDL, а іншу для BGA на багатошарових органічних підкладках. Ці моделі пакетів є параметричними, включаючи стек шарів підкладки та BGA перед введенням інформації EDA, і дозволяють ранню оцінку матеріалу та вибір розміщення матриці. Далі дані EDA були імпортовані, і для кожної моделі карти матеріалів надавали детальний термічний опис розподілу міді в усіх шарах. Остаточне моделювання розсіювання тепла (див. рис. 2) враховує всі матеріали, крім металевої кришки, TIM і матеріалів підзаповнення.
Директор з технічного маркетингу JCET Ерік Оуянг приєднався до інженерів JCET і Meta, щоб порівняти теплові характеристики монолітних чіпів, багаточіпових модулів, 2,5D інтерпозерів і 3D стекованих чіпів з одним ASIC і двома SRAM. У процесі порівняння серверне середовище, радіатор із вакуумною камерою та TIM залишаються незмінними. Що стосується теплового режиму, 2.5D і MCM працюють краще, ніж 3D або монолітні мікросхеми. Оуянг і його колеги з JCET розробили матрицю резисторів і діаграму огинаючої потужності (див. рис. 3), які можна використовувати на ранніх етапах проектування модулів для визначення рівнів вхідної потужності різних мікросхем і встановлення з’єднань перед трудомістким тепловим моделюванням. Чи можна надійно комбінувати температуру. Як показано на малюнку, безпечна зона підкреслює діапазон потужності кожного чіпа, який відповідає стандартам надійності.
Оуянг пояснив, що під час процесу проектування розробники схем можуть мати уявлення про рівні потужності різних чіпів, розміщених у модулі, але можуть не знати, чи знаходяться ці рівні потужності в межах надійності. Ця діаграма визначає безпечну зону живлення для трьох чіпів у модулі мікросхеми. Команда розробила автоматичний калькулятор потужності для більшої кількості мікросхем.
03 Визначте термічний опір
Ми можемо зрозуміти, як тепло проходить через кремнієвий чіп, друковану плату, клей, TIM або кришку упаковки, і використовувати стандартні методи різниці температур і функції потужності для відстеження значень температури та опору.
«Тепловий шлях кількісно визначається трьома ключовими значеннями — термічний опір від з’єднання пристрою до навколишнього середовища, термічний опір від з’єднання до корпусу [на верхній частині упаковки] та термічний опір від з’єднання до друкована плата", - сказав Оуян з JCET. термічний опір. Він зазначив, що як мінімум клієнтам JCET потрібні θja, θjc і θjb, які вони потім використовують у проектуванні системи. Вони можуть вимагати, щоб заданий термічний опір не перевищував певного значення, і вимагати, щоб конструкція упаковки забезпечувала такі характеристики. (Детальніше див. JESD 51-12 JEDEC, Інструкції щодо звітування та використання теплової інформації упаковки).
Теплове моделювання є найекономічнішим способом дослідження вибору та відповідності матеріалів. Імітуючи мікросхему в робочому стані, ми зазвичай знаходимо одну або кілька гарячих точок, тому ми можемо додати мідь до основного матеріалу нижче гарячих точок, щоб полегшити розсіювання тепла; або змінити пакувальний матеріал і додати радіатор. Системний інтегратор може вказати, що термічні опори θja, θjc і θjb не повинні перевищувати певних значень. Зазвичай температура кремнієвого переходу повинна бути нижче 125 градусів.
Після завершення моделювання пакувальна фабрика проводить планування експериментів (DOE), щоб отримати остаточне пакувальне рішення.
04 Виберіть TIM
У корпусі більше 90% тепла розсіюється через пакет від верхньої частини чіпа до радіатора, зазвичай анодованого алюмінієвого вертикального ребра. Між чіпом і корпусом розміщено термоінтерфейсний матеріал (TIM) з високою теплопровідністю, який допомагає передавати тепло. TIM наступного покоління для ЦП включають сплави листового металу, такі як індій і олово, а також спечене сріблом олово з провідністю 60 Вт/мК і 50 Вт/мК відповідно.
У міру того як виробники переходять від SoC до чіплетних процесів, потрібно більше TIM з різними властивостями та товщиною.
YoungDo Kweon, старший директор з досліджень і розробок Amkor, сказав, що для систем з високою щільністю термічний опір TIM між чіпом і корпусом має більший вплив на загальний термічний опір упакованого модуля. Тенденції до потужності різко зростають, особливо для логіки, тому ми зосереджуємося на підтримці низьких температур переходів, щоб забезпечити надійну роботу напівпровідника. Хоча постачальники TIM надають значення термічного опору для своїх матеріалів, насправді на термічний опір від чіпа до упаковки (θjc) впливає сам процес складання, включаючи якість з’єднання та площу контакту між чіпом і TIM. Він зазначив, що тестування за допомогою фактичних монтажних інструментів і склеювальних матеріалів у контрольованому середовищі має вирішальне значення для розуміння фактичних теплових характеристик і вибору найкращого TIM для кваліфікації клієнта.
Особливою проблемою є прогалини. Паррі з Siemens сказав: «Використання матеріалів для упаковки є великою проблемою. Ми вже знаємо, що властивості матеріалу адгезиву чи клею та те, як матеріал змочує поверхню, впливатимуть на загальний термічний опір матеріалу, тобто контактний опір багато в чому залежить від того, як матеріал втікає в поверхню, не створюючи додатковий опір тепловому потоку.
05 По-іншому вирішувати питання тепла
Виробники мікросхем шукають шляхи вирішення проблеми тепловіддачі. Ренді Вайт, програмний менеджер рішень для пам’яті в Keysight Technologies, сказав: «Метод упаковки залишається тим самим, якщо ви зменшите розмір чіпа на чверть, він пришвидшиться. Можуть бути деякі відмінності в цілісності сигналу. Через зовнішні ключі пакета З’єднувальний дріт входить у мікросхему, і чим довший дріт, тим більша індуктивність, отже, як розсіювати стільки енергії в досить малому просторі? Це ще один ключовий параметр, який потрібно вивчити ."
Це призвело до значних інвестицій у передові дослідження зв’язків, зосереджених на гібридних зв’язках. Але гібридне з’єднання є дорогим і залишається обмеженим додатками високопродуктивного процесорного типу, а TSMC наразі одна з небагатьох компаній, що пропонують цю технологію. Однак перспективи комбінування фотонів на КМОП-чіпах або нітриду галію на кремнії багатообіцяючі.
06 Висновок
Початкова ідея вдосконаленої упаковки полягає в тому, що вона працюватиме як кубики Lego — чіпи, розроблені на різних вузлах процесу, можна збирати разом, і проблеми з теплом будуть зменшені. Але це має певну ціну. З точки зору продуктивності та потужності, відстань, яку має подолати сигнал, є важливою, а схеми, які завжди ввімкнені або повинні залишатися частково відкритими, можуть вплинути на теплові характеристики. Розділити чіп на кілька частин, щоб збільшити врожайність і гнучкість, не так просто, як здається. Кожне з’єднання в пакеті має бути оптимізоване, а точки доступу більше не обмежуються одним чіпом.
Ранні інструменти моделювання можна було використовувати, щоб виключити різні комбінації мікросхем, що дало великий поштовх розробникам складних модулів. У цю епоху постійного зростання питомої потужності теплове моделювання та впровадження нових TIM залишатимуться важливими.
