Как решить термические проблемы упаковки чипсов

  Логические микросхемы выделяют тепло, и чем плотнее логика и чем выше загрузка процессорных элементов, тем больше тепла. ...
Инженеры ищут способы эффективного отвода тепла от сложных модулей.

Размещение нескольких чипов рядом в одном корпусе может решить проблемы с перегревом, но по мере того, как компании углубляются в стекирование чипов и более плотную упаковку для повышения производительности и снижения энергопотребления, они сталкиваются с новым набором проблем, связанных с нагревом.

Усовершенствованные упаковочные чипы могут не только удовлетворить потребности высокопроизводительных вычислений, искусственного интеллекта, роста удельной мощности и т. д., но и проблемы рассеивания тепла в современной упаковке также стали сложными. Потому что горячие точки на одном чипе влияют на распределение тепла соседних чипов. Скорость соединения между чипами в модулях также ниже, чем в SoC.

«До того, как мир пришел к таким вещам, как многоядерность, вы имели дело с чипом, максимальная мощность которого составляла около 150 Вт на квадратный сантиметр, который представлял собой единый точечный источник тепла», — сказал Джон Парри, руководитель отдела электроники и полупроводников в компании. Программное обеспечение Siemens Digital Industries. Вы можете рассеивать тепло во всех трех направлениях, поэтому вы можете достичь довольно высокой плотности мощности. Но когда у вас есть чип и вы кладете рядом с ним еще один чип, а затем кладете рядом еще один чип, они «Они нагревают друг друга. Это означает, что вы не можете допустить одинаковый уровень мощности для каждого чипа, что делает тепловой задача гораздо более трудная».

Это одна из основных причин медленного прогресса стекирования 3D-ИС на рынке. Хотя эта концепция имеет смысл с точки зрения энергоэффективности и интеграции — и хорошо работает в 3D NAND и HBM — совсем другая история, когда включена логика. Логические микросхемы генерируют тепло, и чем плотнее логика и чем выше загрузка процессорных элементов, тем больше тепла. Это делает стекирование логики редким явлением, что объясняет популярность 2,5D-перевернутых BGA-чипов и разветвленных конструкций.

 

 

01 Выберите правильный пакет

Для разработчиков чипов существует множество вариантов упаковки. Но эффективность интеграции чипов имеет решающее значение. Такие компоненты, как кремний, TSV, медные опоры и т. д., имеют разные коэффициенты теплового расширения (TCE), что влияет на производительность сборки и долгосрочную надежность.

Если вы открываете и закрываете с более высокой частотой, вы можете столкнуться с проблемами термоциклирования. Печатная плата, шарики припоя и кремний расширяются и сжимаются с разной скоростью. Поэтому нормально наблюдать сбои при термоциклировании в углах корпуса, где шарики припоя могут треснуть. Поэтому можно поставить туда дополнительный заземляющий провод или дополнительный источник питания.

Популярный в настоящее время корпус BGA с откидным кристаллом с процессором и HBM имеет площадь около 2500 квадратных миллиметров. «Мы видим, что один большой чип потенциально может превратиться в четыре или пять маленьких чипов», — сказал Майк Макинтайр, директор по управлению программными продуктами компании Onto Innovation. «Поэтому вам нужно иметь больше операций ввода-вывода, чтобы эти чипы могли взаимодействовать друг с другом. Чтобы вы могли распределять тепло.

В конечном счете, охлаждение — это проблема, которую можно решить на уровне системы, и она требует ряда компромиссов.

Фактически, некоторые устройства настолько сложны, что сложно легко заменить компоненты, чтобы настроить эти устройства для конкретной области применения. Вот почему многие современные упаковочные продукты используются для компонентов, выпускаемых в больших объемах или эластичных по цене, таких как серверные микросхемы.

02 Прогресс в моделировании и тестировании модулей микросхем

Тем не менее, инженеры ищут новые способы проведения термического анализа надежности корпуса перед изготовлением упакованных модулей. Например, компания Siemens предоставляет пример модуля на базе двух ASIC, который монтирует разветвленный слой перераспределения (RDL) на многослойной органической подложке в корпусе BGA. Он использует две модели: одну для WLP на основе RDL, а другую для BGA на многослойных органических подложках. Эти модели корпуса являются параметрическими, включая стопку слоев подложки и BGA до введения информации EDA, и позволяют заблаговременно оценить материал и выбрать размещение кристалла. Затем были импортированы данные EDA, и для каждой модели карты материалов предоставили подробное термическое описание распределения меди во всех слоях. В окончательном моделировании рассеивания тепла (см. рисунок 2) учитывались все материалы, кроме металлической крышки, TIM и материалов подсыпки.

 

  Директор по техническому маркетингу JCET Эрик Оуян присоединился к инженерам JCET и Meta, чтобы сравнить тепловые характеристики монолитных чипов, многочиповых модулей, 2,5D-переходников и 3D-стековых чипов с одной ASIC и двумя SRAM. В процессе сравнения среда сервера, радиатор с вакуумной камерой и TIM остаются постоянными. С точки зрения температуры 2.5D и MCM работают лучше, чем 3D или монолитные чипы. Оуян и его коллеги из JCET разработали матрицу резисторов и диаграмму мощности (см. рисунок 3), которые можно использовать на ранних стадиях проектирования модулей для определения уровней входной мощности различных микросхем и настройки переходов перед трудоемким термическим моделированием. Можно ли надежно совместить температуру. Как показано на рисунке, безопасная зона обозначает диапазон мощности каждого чипа, соответствующий стандартам надежности.

Оуян объяснил, что в процессе проектирования проектировщики схем могут иметь представление об уровнях мощности различных микросхем, размещенных в модуле, но могут не знать, находятся ли эти уровни мощности в пределах надежности. Эта диаграмма определяет безопасную зону питания для трех микросхем в модуле микросхемы. Команда разработала автоматический калькулятор мощности для большего количества чипов.

 

03 Количественное термическое сопротивление

Мы можем понять, как тепло передается через кремниевый чип, печатную плату, клей, TIM или крышку корпуса, и использовать стандартные методы измерения разницы температур и функции мощности для отслеживания значений температуры и сопротивления.

«Тепловой путь количественно определяется тремя ключевыми значениями — тепловым сопротивлением от перехода устройства к окружающей среде, тепловым сопротивлением от перехода к корпусу [верхней части корпуса] и тепловым сопротивлением от перехода к печатной платы», — сказал Оуян из JCET. термическое сопротивление. Он отметил, что клиентам JCET как минимум требуются θja, θjc и θjb, которые они затем используют при проектировании системы. Они могут потребовать, чтобы заданное тепловое сопротивление не превышало определенного значения, и потребовать, чтобы конструкция упаковки обеспечивала такие характеристики. (Подробную информацию см. в документе JESD51-12 JEDEC, «Руководство по предоставлению и использованию информации о температуре упаковки»).

 

  Термическое моделирование — наиболее экономичный способ изучения выбора и подбора материалов. Моделируя чип в рабочем состоянии, мы обычно обнаруживаем одну или несколько горячих точек, поэтому мы можем добавить медь в основной материал ниже горячих точек, чтобы облегчить рассеивание тепла; или смените упаковочный материал и добавьте радиатор. Системный интегратор может указать, что тепловые сопротивления θja, θjc и θjb не должны превышать определенных значений. Обычно температура кремниевого перехода должна поддерживаться ниже 125 градусов.

После завершения моделирования фабрика упаковки проводит эксперименты (DOE), чтобы прийти к окончательному решению по упаковке.

04 Выберите ТИМ

В корпусе более 90% тепла рассеивается через корпус от верхней части чипа к радиатору, обычно представляющему собой вертикальные ребра на основе анодированного алюминия. Между чипом и корпусом помещается термоинтерфейсный материал (TIM) с высокой теплопроводностью, который помогает передавать тепло. TIM следующего поколения для процессоров включают сплавы листового металла, такие как индий и олово, а также спеченное серебром олово с проводимостью 60 Вт/мК и 50 Вт/мК соответственно.

Поскольку производители переходят SoC на чиплетные процессы, требуется больше TIM с разными свойствами и толщиной.

ЯнгДо Квеон, старший директор по исследованиям и разработкам Amkor, сказал, что в системах высокой плотности тепловое сопротивление TIM между чипом и корпусом оказывает большее влияние на общее тепловое сопротивление упакованного модуля. Тенденции в области энергопотребления резко растут, особенно в сфере логики, поэтому мы концентрируемся на поддержании низких температур перехода, чтобы обеспечить надежную работу полупроводников. Хотя поставщики TIM предоставляют значения термического сопротивления для своих материалов, на самом деле на термическое сопротивление от чипа до корпуса (θjc) влияет сам процесс сборки, включая качество соединения и площадь контакта между чипом и TIM. Он отметил, что тестирование с использованием реальных сборочных инструментов и связующих материалов в контролируемой среде имеет решающее значение для понимания реальных тепловых характеристик и выбора лучшего TIM для квалификации клиента.

Пробелы представляют собой особую проблему. Парри из Siemens сказал: «Использование материалов в упаковке является большой проблемой. Мы уже знаем, что свойства клея или клея, а также то, как материал смачивает поверхность, будут влиять на общее термическое сопротивление, представляемое материалом. то есть контактное сопротивление. Многое зависит от того, как материал втекает в поверхность, не создавая дефектов, создающих дополнительное сопротивление тепловому потоку».

 

05 Решение проблем с жарой по-другому

Производители микросхем ищут способы решения проблемы рассеивания тепла. Рэнди Уайт, менеджер программы решений для памяти в компании Keysight Technologies, сказал: «Метод упаковки остается прежним: если вы уменьшите размер чипа на четверть, он ускорится. Могут быть некоторые различия в целостности сигнала. Из-за внешних ключей пакета Соединительный провод входит в чип, и чем длиннее провод, тем больше индуктивность, следовательно, это часть электрических характеристик. Итак, как рассеивать столько энергии в достаточно небольшом пространстве? Это еще один ключевой параметр, который необходимо изучить. ."

Это привело к значительным инвестициям в передовые исследования в области связей, по-видимому, сосредоточенных на гибридных связях. Но гибридное соединение является дорогостоящим и по-прежнему ограничивается приложениями высокопроизводительного процессорного типа, причем TSMC в настоящее время является одной из немногих компаний, предлагающих эту технологию. Однако перспективы объединения фотонов на КМОП-чипах или нитрида галлия на кремнии многообещающие.

06 Заключение

Первоначальная идея усовершенствованной упаковки заключается в том, что она будет работать как кубики Lego: чипы, разработанные на разных технологических узлах, можно будет собирать вместе, что позволит устранить проблемы с температурой. Но за это приходится платить. С точки зрения производительности и мощности важное значение имеет расстояние, которое должен пройти сигнал, а цепи, которые всегда включены или должны оставаться частично открытыми, могут влиять на тепловые характеристики. Разделить чип на несколько частей для увеличения производительности и гибкости не так просто, как кажется. Каждое межсоединение в пакете должно быть оптимизировано, а точки доступа больше не ограничиваются одним чипом.

Ранние инструменты моделирования можно было использовать для исключения различных комбинаций микросхем, что давало большой импульс разработчикам сложных модулей. В эпоху постоянно растущей плотности мощности тепловое моделирование и внедрение новых TIM будут оставаться важными.