Hvernig á að leysa hitavandamál flísumbúða

  Rökflögur mynda hita og því þéttari sem rökfræðin er og því meiri sem nýting vinnsluþáttanna er, því meiri er hitinn. ...
Verkfræðingar eru að leita leiða til að dreifa hita frá flóknum einingum á skilvirkan hátt.

Að setja marga flís hlið við hlið í sama pakka getur dregið úr hitavandamálum, en eftir því sem fyrirtæki kafa lengra í flísatöflu og þéttari umbúðir til að auka afköst og draga úr afli, berjast þau við nýtt sett af hitatengdum vandamálum.

Háþróaðar pökkunarflögur geta ekki aðeins uppfyllt þarfir afkastamikillar tölvunar, gervigreindar, vaxtar aflþéttleika osfrv., heldur eru hitaleiðnivandamál háþróaðrar umbúða einnig orðin flókin. Vegna þess að heitir blettir á einni flís munu hafa áhrif á hitadreifingu aðliggjandi flögum. Samtengingarhraði milli flísa er einnig hægari í einingum en í SoCs.

„Áður en heimurinn fór í hluti eins og fjölkjarna varstu að fást við flís sem hafði hámarksafl upp á um 150 wött á fersentimetra, sem var einn punktur hitagjafi,“ sagði John Parry, yfirmaður rafeindatækni og hálfleiðara hjá Siemens Digital Industries hugbúnaður. Þú getur dreift hita í allar þrjár áttir, svo þú getur náð nokkuð miklum aflþéttleika. En þegar þú ert með flís og setur aðra flís við hliðina á henni, og setur svo aðra flís við hliðina á honum, þá hita þeir hver annan. áskorun mun erfiðari."

Þetta er ein helsta ástæðan fyrir hægum framförum 3D-IC stöflun á markaðnum. Þó að hugmyndin sé skynsamleg frá orkunýtni og samþættingarsjónarmiði - og virkar vel í 3D NAND og HBM - er það önnur saga þegar rökfræðin er tekin með. Rökflögur mynda hita og því þéttari sem rökfræðin er og því meiri sem nýting vinnsluþáttanna er, þeim mun meiri hiti er. Þetta gerir rökfræðilega stöflun sjaldgæfa, sem skýrir vinsældir 2.5D flip-chip BGA og fan-out hönnun

 

 

01 Veldu réttan pakka

Fyrir flísahönnuði eru margir pökkunarmöguleikar. En árangur flíssamþættingar skiptir sköpum. Íhlutir eins og sílikon, TSV, koparstólpar o.s.frv. hafa allir mismunandi hitastuðul (TCE), sem hefur áhrif á afrakstur samsetningar og langtímaáreiðanleika.

Ef þú opnar og lokar á hærri tíðni gætirðu lent í vandræðum með hitauppstreymi. Prentað hringrásarborðið, lóðmálmúlurnar og sílikonið þenjast út og dragast saman mishratt. Þess vegna er eðlilegt að sjá bilanir í hitauppstreymi í hornum pakkans, þar sem lóðmálmúlurnar geta sprungið. Svo maður gæti sett auka jarðvír þarna eða auka aflgjafa.

Núverandi vinsæli flip-chip BGA pakkinn með CPU og HBM er um það bil 2500 fermillímetrar að flatarmáli. „Við sjáum að einn stór flís verður hugsanlega fjórir eða fimm litlir flísar,” sagði Mike McIntyre, forstöðumaður hugbúnaðarvörustjórnunar hjá Onto Innovation. „Þannig að þú verður að hafa meira inn/út til að leyfa þessum flísum að tala saman. Svo þú getur úthlutað hita.

Að lokum er kæling mál sem hægt er að takast á við á kerfisstigi og það kemur með röð af skiptum.

Reyndar eru sum tæki svo flókin að erfitt er að skipta um íhluti auðveldlega til að sérsníða þessi tæki fyrir tiltekið notkunarsvið. Þetta er ástæðan fyrir því að margar háþróaðar umbúðir eru notaðar fyrir mjög mikið magn eða verðteygjanlega íhluti, eins og netþjónaflögur.

02 Framfarir í uppgerð og prófun flísareins

Engu að síður eru verkfræðingar að leita að nýjum leiðum til að framkvæma hitagreiningu á áreiðanleika pakka áður en pakkaðar einingar eru framleiddar. Til dæmis, Siemens gefur dæmi um tvískiptur ASIC-undirstaða mát sem festir fan-out redistribution layer (RDL) á marglaga lífrænt undirlag í BGA pakka. Það notar tvær gerðir, önnur fyrir RDL-undirstaða WLP og hin fyrir BGA á fjöllaga lífrænum undirlagi. Þessar pakkalíkön eru breytilegar, þar á meðal undirlagslagstafla og BGA áður en EDA upplýsingar eru kynntar, og gera snemma efnismat og val á deyja staðsetningu. Því næst voru EDA gögn flutt inn og fyrir hvert líkan gáfu efniskort nákvæma varmalýsingu á kopardreifingu í öllum lögum. Endanleg eftirlíking af hitaleiðni (sjá mynd 2) tók til allra efna nema málmlokið, TIM og undirfyllingarefni.

 

  Eric Ouyang, tæknilegur markaðsstjóri JCET, gekk til liðs við verkfræðinga JCET og Meta til að bera saman hitauppstreymi einhæfra flísa, fjölflísareininga, 2.5D interposers og 3D staflaðra flísa með einum ASIC og tveimur SRAM. Samanburðarferlið heldur umhverfi netþjónsins, hitavaskinum með lofttæmishólfinu og TIM stöðugu. Hitafræðilega, 2.5D og MCM standa sig betur en 3D eða einlita flís. Ouyang og félagar hjá JCET hönnuðu viðnámsfylki og skýringarmynd aflhjúps (sjá mynd 3) sem hægt er að nota í snemma hönnunareiningum til að ákvarða inntaksaflsstig mismunandi flísa og stilla mótum áður en tímafrekar varmauppgerðir. Hvort hægt sé að sameina hitastigið á áreiðanlegan hátt. Eins og sést á myndinni er öryggissvæði undirstrikað aflsviðið á hverri flís sem uppfyllir áreiðanleikastaðla.

Ouyang útskýrði að á meðan á hönnunarferlinu stendur gætu hringrásahönnuðir haft hugmynd um aflmagn hinna ýmsu flísa sem eru settir í eininguna, en vita ef til vill ekki hvort þessi aflstig séu innan áreiðanleikamarka. Þessi skýringarmynd ákvarðar öruggt aflsvæði fyrir allt að þrjár flísar í flísareiningu. Liðið hefur þróað sjálfvirka aflreiknivél fyrir fleiri flögur.

 

03 Mældu hitaþol

Við getum skilið hvernig hiti er leiddur í gegnum kísilflöguna, hringrásarborðið, límið, TIM eða pakkningalokið og notað staðlaðar aðferðir við hitamismun og aflvirkni til að fylgjast með hitastigi og viðnámsgildum.

„Varmaleiðin er magngreind með þremur lykilgildum - varmamótstöðu frá mótum tækisins til umhverfisins, varmaviðnám frá mótum að hylki [ofan á pakkanum] og hitaviðnám frá mótum til hringrás," sagði Ouyang hjá JCET. hitauppstreymi. Hann benti á að að minnsta kosti þurfa viðskiptavinir JCET θja, θjc og θjb, sem þeir nota síðan í kerfishönnun. Þeir geta krafist þess að tiltekið varmaviðnám fari ekki yfir tiltekið gildi og krafist þess að pakkningahönnunin veiti þann árangur. (Sjá JEDEC's JESD51-12, Leiðbeiningar um skýrslugerð og notkun hitaupplýsinga um pakka fyrir frekari upplýsingar).

 

  Hitauppgerð er hagkvæmasta leiðin til að kanna val og samsvörun efna. Með því að líkja eftir flísinni í vinnuástandi finnum við venjulega einn eða fleiri heita bletti, þannig að við getum bætt kopar við grunnefnið fyrir neðan heita punktana til að auðvelda hitaleiðni; eða skiptu um umbúðaefni og bættu við hitaskáp. Kerfissamþættirinn getur tilgreint að hitaviðnám θja, θjc og θjb megi ekki fara yfir ákveðin gildi. Venjulega ætti hitastig kísilmótanna að vera undir 125 gráðum.

Eftir að uppgerð er lokið, framkvæmir umbúðaverksmiðjan hönnun tilrauna (DOE) til að komast að endanlegri umbúðalausn.

04 Veldu TIM

Í pakkningu er meira en 90% af hitanum dreift í gegnum pakkann frá toppi flísarinnar í hitavask, venjulega anodized ál-undirstaða lóðréttir uggar. Hitaviðmótsefni (TIM) með mikilli hitaleiðni er sett á milli flísarinnar og pakkans til að hjálpa til við að flytja hita. Næsta kynslóð TIMs fyrir örgjörva innihalda málmplötur eins og indíum og tin, auk silfurhertu tins, með leiðni upp á 60W/mK og 50W/mK í sömu röð.

Þegar framleiðendur breyta SoCs yfir í kubbaferli, þarf fleiri TIM með mismunandi eiginleika og þykkt.

YoungDo Kweon, yfirmaður R&D hjá Amkor, sagði að fyrir háþéttleikakerfi hafi hitauppstreymi TIM milli flísarinnar og pakkans meiri áhrif á heildarhitaviðnám pakkaðs einingarinnar. Rafmagnsþróun er að aukast verulega, sérstaklega fyrir rökfræði, þannig að við leggjum áherslu á að halda hitastigi tengisins lágu til að tryggja áreiðanlega hálfleiðaravirkni. Þrátt fyrir að TIM birgjar gefi upp hitaþolsgildi fyrir efni sín, er í raun hitauppstreymi frá flís til pakka (θjc) fyrir áhrifum af samsetningarferlinu sjálfu, þar með talið tengingargæði og snertiflötur milli flísarinnar og TIM. Hann benti á að prófun með raunverulegum samsetningarverkfærum og tengiefnum í stýrðu umhverfi er mikilvægt til að skilja raunverulegan hitauppstreymi og velja besta TIM fyrir hæfi viðskiptavina.

Skurð eru sérstakt vandamál. Parry frá Siemens sagði: "Notkun efna í umbúðum er mikil áskorun. Við vitum nú þegar að efniseiginleikar límsins eða límsins, og hvernig efnið bleytir yfirborðið, mun hafa áhrif á heildar hitauppstreymi sem efnið gefur, það er, snertiviðnámið ræðst mikið af því hvernig efnið flæðir inn í yfirborðið án þess að skapa ófullkomleika sem skapa viðbótarviðnám gegn hitaflæðinu.

 

05 Að takast á við hitamál á annan hátt

Flísaframleiðendur leita leiða til að leysa hitaleiðnivandann. Randy White, forritastjóri minnislausna hjá Keysight Technologies, sagði: "Pökkunaraðferðin er sú sama, ef þú minnkar flísastærðina um fjórðung mun hún flýta fyrir. Það gæti verið einhver munur á merkiheilleika. Vegna ytri pakkalykla Tengivírinn fer inn í flísina og því lengri sem vírinn er, því meiri er inductance, þannig að það er rafmagnsafköst ."

Þetta hefur leitt til umtalsverðrar fjárfestingar í háþróaðri tengslarannsóknum, sem virðist einbeita sér að blendingum. En blendingstenging er dýr og er enn takmörkuð við afkastamikil forrit af gerðinni örgjörva, þar sem TSMC er nú eitt af einu fyrirtækjunum sem bjóða upp á þessa tækni. Hins vegar eru horfur á því að sameina ljóseindir á CMOS-flögum eða gallíumnítríði á sílikoni góðu.

06 Niðurstaða

Upphafleg hugmynd að háþróaðri umbúðum er að þær virki eins og legókubbar - hægt er að setja flögur sem þróaðar eru á mismunandi vinnsluhnúta saman og hitavandamál verða létt. En þetta kostar sitt. Frá sjónarhóli frammistöðu og krafts er fjarlægðin sem merkið þarf til að ferðast mikilvæg og rafrásir sem eru alltaf á, eða þurfa að vera opnar að hluta, geta haft áhrif á hitauppstreymi. Að skipta flís í marga hluta til að auka ávöxtun og sveigjanleika er ekki eins einfalt og það virðist. Sérhver samtenging í pakkanum verður að vera fínstillt og heitir reitir takmarkast ekki lengur við eina flís.

Snemma líkanaverkfæri gætu verið notuð til að útiloka mismunandi samsetningar af flögum, sem gefur hönnuðum flókinna eininga mikla aukningu. Á þessu tímum sívaxandi aflþéttleika verður hitauppgerð og innleiðing nýrra TIM áfram nauðsynleg.