Kuidas lahendada kiibi pakendamise termilisi probleeme

  Loogikakiibid toodavad soojust ja mida tihedam on loogika ja mida kõrgem on töötlemiselementide kasutamine, seda suurem on soojus. ...
Insenerid otsivad viise, kuidas keerulistest moodulitest tõhusalt soojust hajutada.

Mitme kiibi kõrvuti paigutamine samasse pakendisse võib leevendada soojusprobleeme, kuid kuna ettevõtted süvenevad jõudluse suurendamiseks ja võimsuse vähendamiseks kiipide virnastamise ja tihedama pakkimise poole, võitlevad nad uute kuumusega seotud probleemidega.

Täiustatud pakendikiibid ei vasta mitte ainult suure jõudlusega andmetöötluse, tehisintellekti, võimsustiheduse kasvu jms vajadustele, vaid ka täiustatud pakendite soojuse hajumise probleemid on muutunud keeruliseks. Kuna kuumad kohad ühel kiibil mõjutavad külgnevate kiipide soojusjaotust. Kiipide vahelise ühenduse kiirus on moodulites samuti aeglasem kui SoC-des.

"Enne kui maailm sattus sellistesse asjadesse nagu mitmetuumaline, oli teil tegemist kiibiga, mille maksimaalne võimsus oli umbes 150 vatti ruutsentimeetri kohta ja mis oli ühepunktiline soojusallikas," ütles John Parry, elektroonika- ja pooljuhtide juht. Tarkvara Siemens Digital Industries. Saate soojust hajutada kõigis kolmes suunas, nii et saate saavutada üsna suure võimsustiheduse. Aga kui teil on kiip ja paned selle kõrvale teise kiibi ja paned siis teise kiibi kõrvale, siis nad "kuumendavad üksteist. See tähendab, et te ei talu iga kiibi jaoks sama võimsustaset, mis muudab soojuse väljakutse palju raskem."

See on üks peamisi põhjuseid, miks 3D-IC virnastamine turul on aeglane. Kuigi kontseptsioon on energiatõhususe ja integratsiooni vaatenurgast mõttekas – ja töötab hästi 3D NAND-i ja HBM-i puhul –, on loogika kaasamisel hoopis teine ​​lugu. Loogikakiibid genereerivad soojust ning mida tihedam on loogika ja mida kõrgem on töötlemiselementide kasutamine, seda suurem on soojus. See muudab loogika virnastamise haruldaseks, mis seletab 2,5D flip-chip BGA ja fan-out disainide populaarsust.

 

 

01 Valige õige pakett

Kiibidisainerite jaoks on palju pakendamisvõimalusi. Kuid kiibi integreerimise jõudlus on ülioluline. Sellistel komponentidel nagu räni, TSV-d, vasest sambad jne on kõik erinevad termilise paisumisteguriga (TCE), mis mõjutab koostu saagikust ja pikaajalist töökindlust.

Kui avate ja sulgete suurema sagedusega, võib teil tekkida termilise tsükliga seotud probleeme. Trükkplaat, jootekuulid ja räni paisuvad ja tõmbuvad kokku erineva kiirusega. Seetõttu on normaalne näha termotsükli rikkeid pakendi nurkades, kus jootekuulid võivad praguneda. Nii et sinna võib panna lisamaandusjuhtme või lisatoiteallika.

Praegu populaarse CPU ja HBM-iga flip-chip BGA-paketi pindala on umbes 2500 ruutmillimeetrit. "Me näeme, et ühest suurest kiibist võib saada neli või viis väikest kiipi," ütles Onto Innovationi tarkvaratoodete haldamise direktor Mike McIntyre. "Nii et teil peab olema rohkem I/O-sid, et need kiibid saaksid omavahel rääkida. Nii et saate soojust eraldada.

Lõppkokkuvõttes on jahutus probleem, mida saab lahendada süsteemi tasandil ja sellega kaasneb rida kompromisse.

Tegelikult on mõned seadmed nii keerulised, et komponente on keeruline hõlpsasti asendada, et neid seadmeid konkreetse kasutusvaldkonna jaoks kohandada. Seetõttu kasutatakse paljusid täiustatud pakendamistooteid väga suure mahuga või hinnaelastsete komponentide, näiteks serverikiipide jaoks.

02 Kiibimooduli simulatsiooni ja testimise areng

Sellegipoolest otsivad insenerid uusi viise pakendi töökindluse termilise analüüsi läbiviimiseks enne pakendatud moodulite tootmist. Näiteks pakub Siemens näite kahel-ASIC-põhisest moodulist, mis paigaldab BGA-paketis mitmekihilisele orgaanilisele substraadile ventileeritava ümberjaotuskihi (RDL). See kasutab kahte mudelit, üks RDL-põhise WLP jaoks ja teine ​​BGA jaoks mitmekihilistel orgaanilistel substraatidel. Need paketimudelid on parameetrilised, sealhulgas substraadikihi virna ja BGA-d enne EDA teabe kasutuselevõttu ning võimaldavad varakult hinnata materjali ja valida stantside paigutuse. Järgmisena imporditi EDA andmed ja iga mudeli jaoks esitasid materjalikaardid üksikasjaliku termilise kirjelduse vase jaotusest kõigis kihtides. Lõplik soojuse hajumise simulatsioon (vt joonis 2) võttis arvesse kõiki materjale, välja arvatud metallkork, TIM ja alustäite materjalid.

 

  JCETi tehniline turundusdirektor Eric Ouyang liitus JCETi ja Meta inseneridega, et võrrelda monoliitsete kiipide, mitmekiibiliste moodulite, 2,5D interposerite ja 3D virnastatud kiipide soojuslikku jõudlust ühe ASIC-i ja kahe SRAM-iga. Võrdlusprotsess hoiab serverikeskkonna, vaakumkambriga jahutusradiaatori ja TIM-i konstantsena. Termiline, 2,5D ja MCM toimivad paremini kui 3D või monoliitsed kiibid. Ouyang ja kolleegid JCET-ist kavandasid takistimaatriksi ja võimsuse mähisdiagrammi (vt joonis 3), mida saab kasutada mooduli varases kavandamises, et määrata enne aeganõudvaid soojussimulatsioone erinevate kiipide sisendvõimsustasemed ja seada ristmikud. Kas temperatuuri saab usaldusväärselt kombineerida. Nagu joonisel näidatud, tõstab turvatsoon esile iga kiibi võimsusvahemiku, mis vastab töökindlusstandarditele.

Ouyang selgitas, et projekteerimisprotsessi ajal võib vooluahela disaineritel olla ettekujutus moodulisse paigutatud erinevate kiipide võimsustasemetest, kuid nad ei pruugi teada, kas need võimsustasemed jäävad töökindluse piiridesse. See diagramm määrab kiibimooduli kuni kolme kiibi ohutu võimsusala. Meeskond on välja töötanud automaatse võimsuskalkulaatori rohkemate kiipide jaoks.

 

03 Kvantifitseerige soojustakistus

Saame mõista, kuidas soojus juhitakse läbi ränikiibi, trükkplaadi, liimi, TIM-i või pakendikaane, ning kasutada temperatuuri ja takistuse väärtuste jälgimiseks temperatuuri erinevuse ja võimsusfunktsiooni standardmeetodeid.

"Soojusteekonda kvantifitseeritakse kolme põhiväärtusega - soojustakistus seadme ristmikult keskkonda, soojustakistus ristmikust korpuseni [pakendi peal] ja soojustakistus ristmikult trükkplaat," ütles JCETi Ouyang. soojustakistus. Ta märkis, et JCETi kliendid nõuavad vähemalt θja, θjc ja θjb, mida nad seejärel kasutavad süsteemi kujundamisel. Nad võivad nõuda, et antud soojustakistus ei ületaks konkreetset väärtust, ja nõuda, et pakendi kujundus tagaks selle toimivuse. (Vt üksikasju JEDECi JESD51-12, Juhised aruandluse ja paketi termilise teabe kasutamise kohta).

 

  Soojussimulatsioon on kõige ökonoomsem viis materjalide valiku ja sobitamise uurimiseks. Simuleerides kiipi töökorras, leiame tavaliselt ühe või mitu kuuma kohta, nii et saame kuumade kohtade all olevale alusmaterjalile lisada vaske, et hõlbustada soojuse hajumist; või vahetage pakkematerjal ja lisage jahutusradiaator. Süsteemiintegraator võib määrata, et soojustakistused θja, θjc ja θjb ei tohi ületada teatud väärtusi. Tavaliselt tuleks räniühenduse temperatuur hoida alla 125 kraadi.

Pärast simulatsiooni lõppu viib pakenditehas läbi katsete kavandamise (DOE), et jõuda lõpliku pakendilahenduseni.

04 Valige TIM

Pakendis hajub üle 90% soojusest läbi pakendi kiibi ülaosast jahutusradiaatorisse, mis on tavaliselt anodeeritud alumiiniumil põhinevad vertikaalsed ribid. Kiibi ja pakendi vahele asetatakse kõrge soojusjuhtivusega termilise liidese materjal (TIM), mis aitab soojust üle kanda. Järgmise põlvkonna TIM-id protsessoritele hõlmavad lehtmetallisulameid, nagu indium ja tina, aga ka hõbedaga paagutatud tina, mille juhtivus on vastavalt 60 W/mK ja 50 W/mK.

Kuna tootjad viivad SoC-d üle kiibiprotsessidele, on vaja rohkem erinevate omaduste ja paksusega TIM-e.

Amkori teadus- ja arendustegevuse vanemdirektor YoungDo Kweon ütles, et suure tihedusega süsteemide puhul mõjutab TIM-i soojustakistus kiibi ja pakendi vahel suuremat mõju pakendatud mooduli üldisele soojustakistusele. Toitesuundumused suurenevad järsult, eriti loogika osas, seega keskendume pooljuhtide usaldusväärse töö tagamiseks ristmike temperatuuride madalal hoidmisele. Kuigi TIM-i tarnijad pakuvad oma materjalidele soojustakistuse väärtusi, mõjutab tegelikkuses soojustakistust kiibilt pakendini (θjc) montaažiprotsess ise, sealhulgas liimimise kvaliteet ning kiibi ja TIM-i kontaktpind. Ta märkis, et tegelike montaažitööriistade ja liimimismaterjalidega kontrollitud keskkonnas testimine on kriitilise tähtsusega tegeliku soojusliku jõudluse mõistmiseks ja kliendi kvalifikatsiooni jaoks parima TIM-i valimiseks.

Eriline probleem on lüngad. Siemensi Parry ütles: "Materjalide kasutamine pakendites on suur väljakutse. Teame juba, et liimi või liimi materjali omadused ja viis, kuidas materjal pinda niisutab, mõjutavad materjali üldist soojustakistust. see tähendab, et palju sõltub sellest, kuidas materjal pinnale voolab, ilma et tekiks soojusvoolule täiendavat takistust.

 

05 Kuumaprobleemide lahendamine erinevalt

Kiibitootjad otsivad võimalusi soojuse hajumise probleemi lahendamiseks. Keysight Technologies mälulahenduste programmijuht Randy White ütles: "Pakendamise meetod jääb samaks, kui vähendate kiibi suurust veerandi võrra, siis see kiireneb. Signaali terviklikkuses võib esineda mõningaid erinevusi. Väliste paketivõtmete tõttu Ühendusjuhe läheb kiibi sisse ja mida pikem on juhe, seda suurem on induktiivsus, nii et kuidas hajutada nii palju energiat piisavalt väikeses ruumis. See on veel üks oluline parameeter, mida tuleb uurida ."

See on toonud kaasa olulisi investeeringuid tipptasemel liimimisuuringutesse, näiliselt keskendudes hübriidsidemetele. Kuid hübriidsidestamine on kallis ja piirdub suure jõudlusega protsessoritüüpi rakendustega, kusjuures TSMC on praegu üks ainukesi seda tehnoloogiat pakkuvaid ettevõtteid. Siiski on väljavaated kombineerida footoneid CMOS-kiipidel või galliumnitriidi ränil.

06 Järeldus

Täiustatud pakendamise esialgne idee on, et see töötaks nagu legoklotsid – erinevates protsessisõlmedes välja töötatud kiipe saab kokku panna ja termilised probleemid leevenduvad. Kuid see maksab. Jõudluse ja võimsuse seisukohast on signaali läbimiseks vajalik vahemaa oluline ning vooluringid, mis on alati sisse lülitatud või peavad jääma osaliselt avatuks, võivad mõjutada soojuslikku jõudlust. Kiibi jagamine mitmeks osaks, et suurendada saagikust ja paindlikkust, ei ole nii lihtne, kui tundub. Kõik paketis olevad ühendused peavad olema optimeeritud ja levialad ei piirdu enam ühe kiibiga.

Varaseid modelleerimistööriistu saab kasutada erinevate kiipide kombinatsioonide välistamiseks, mis annab keerukate moodulite disaineritele suure tõuke. Praegusel üha suureneva võimsustiheduse ajastul jääb soojussimulatsioon ja uute TIM-ide kasutuselevõtt oluliseks.