Как решить тепловую проблему упаковки чипсов
Усовершенствованные упаковочные чипы не только удовлетворяют потребности высокопроизводительных вычислений, искусственного интеллекта, роста удельной мощности и т. д., но также усложняют проблемы рассеивания тепла в современной упаковке. Потому что горячая точка на чипе может повлиять на распределение тепла соседних чипов. Скорость соединения между чипами в модулях также ниже, чем в SoC.
Инженеры ищут эффективные способы отвода тепла от сложных модулей. Размещение нескольких чипов рядом в одном корпусе может решить проблемы с перегревом, но по мере того, как компания продолжает углубляться в стекирование чипов и более плотную упаковку для повышения производительности и снижения энергопотребления, они борются с рядом новых проблем, связанных с нагревом.
В настоящее время площадь популярной раскладывающейся BGA-упаковки с ЦП и HBM составляет примерно 2500 квадратных миллиметров. Мы видим, что большая фишка может превратиться в четыре или пять маленьких фишек. Поэтому необходимо иметь больше операций ввода-вывода, чтобы эти чипы могли взаимодействовать друг с другом. Так вы сможете распределять тепло. Фактически, некоторые устройства настолько сложны, что трудно легко заменить компоненты, чтобы настроить эти устройства для конкретных полевых приложений. Вот почему многие современные упаковочные продукты используются для компонентов с очень большими количествами или ценовой эластичностью, таких как серверные микросхемы.
В процессе проектирования разработчики схем могут иметь представление об уровнях мощности различных микросхем, размещенных в модуле, но могут не знать, находятся ли эти уровни мощности в пределах диапазона надежности. Поэтому инженеры ищут новые методы проведения термического анализа надежности упаковки перед изготовлением упаковочных модулей. С помощью теплового моделирования мы можем понять, как тепло передается через кремниевые чипы, печатные платы, клеи, TIM или упаковочные покрытия, используя при этом стандартные методы, такие как разница температур и функция мощности, для отслеживания значений температуры и сопротивления.
Термическое моделирование — наиболее экономичный метод исследования выбора и подбора материалов. Моделируя чипы в их рабочем состоянии, мы обычно обнаруживаем одну или несколько горячих точек, поэтому мы можем добавить медь в подложку под горячими точками, чтобы облегчить рассеивание тепла; Или смените упаковочный материал и добавьте радиатор.
В упаковке более 90% тепла рассеивается от верхней части чипа к радиатору через корпус, обычно вертикальное ребро на основе анодированного оксида алюминия. Между чипом и корпусом помещается термоинтерфейсный материал (TIM) с высокой теплопроводностью, который помогает передавать тепло. TIM следующего поколения для процессоров включает сплавы металлических листов (такие как индий и олово), а также спеченное серебром олово с проводимостью 60 Вт/мК и 50 Вт/мК соответственно.
Первоначальная концепция усовершенствованной упаковки заключается в том, что она будет работать как строительные блоки LEGO: чипы, разработанные на разных технологических узлах, можно будет собирать вместе, а проблемы с температурой будут решены. Но за это приходится платить. С точки зрения производительности и мощности решающее значение имеет расстояние, на которое должен распространяться сигнал, и цепь всегда остается разомкнутой или должна быть частично разомкнута, что может повлиять на тепловые характеристики. Разделение чипов на несколько частей для увеличения производительности и гибкости не так просто, как может показаться. Каждое межсоединение в корпусе должно быть оптимизировано, а точки доступа больше не ограничиваются одним чипом.
Ранние инструменты моделирования можно было использовать для исключения различных комбинаций микросхем, что давало большую движущую силу разработчикам сложных модулей. В эпоху постоянно растущей удельной мощности тепловое моделирование и внедрение новых TIM по-прежнему будут иметь важное значение.
