Cum se rezolvă problemele termice ale ambalării așchiilor
Cipurile logice generează căldură, iar cu cât logica este mai densă și cu cât este mai mare utilizarea elementelor de procesare, cu atât căldura este mai mare. ...
Inginerii caută modalități de a disipa eficient căldura din modulele complexe.
Plasarea mai multor cipuri unul lângă altul în același pachet poate atenua problemele termice, dar pe măsură ce companiile se adâncesc în stivuirea cipurilor și ambalarea mai densă pentru a crește performanța și a reduce puterea, se luptă cu un nou set de probleme legate de căldură.
Cipurile de ambalare avansate nu numai că pot satisface nevoile de calcul de înaltă performanță, inteligență artificială, creșterea densității de putere etc., dar și problemele de disipare a căldurii ale ambalajelor avansate au devenit complexe. Deoarece punctele fierbinți de pe un cip vor afecta distribuția căldurii a cipurilor adiacente. Viteza de interconectare între cipuri este, de asemenea, mai mică în module decât în SoC.
„Înainte ca lumea să intre în lucruri precum multi-core, aveai de-a face cu un cip care avea o putere maximă de aproximativ 150 de wați pe centimetru pătrat, care era o sursă de căldură în un singur punct”, a spus John Parry, șeful de electronică și semiconductori la Software-ul Siemens Digital Industries. Puteți disipa căldura în toate cele trei direcții, astfel încât să puteți obține niște densități de putere destul de mari. Dar când ai un cip și pui un alt cip lângă el și apoi pui un alt cip lângă el, ei „Se încălzesc unul pe celălalt. Asta înseamnă că nu poți tolera același nivel de putere pentru fiecare cip, ceea ce face ca termic provocare mult mai dificilă.”
Acesta este unul dintre principalele motive pentru progresul lent al stivuirii 3D-IC pe piață. În timp ce conceptul are sens din perspectiva eficienței energetice și a integrării - și funcționează bine în 3D NAND și HBM - este o poveste diferită când este inclusă logica. Cipurile logice generează căldură, iar cu cât logica este mai densă și cu cât este mai mare utilizarea elementelor de procesare, cu atât căldura este mai mare. Acest lucru face ca stivuirea logică să fie rară, ceea ce explică popularitatea modelelor 2.5D flip-chip BGA și fan-out.
01 Alege pachetul potrivit
Pentru designerii de cipuri, există multe opțiuni de ambalare. Dar performanța integrării cipurilor este crucială. Componentele precum siliciul, TSV-urile, stâlpii de cupru etc. au toate coeficienți termici de dilatare (TCE), care afectează randamentul asamblarii și fiabilitatea pe termen lung.
Dacă deschideți și închideți la o frecvență mai mare, este posibil să aveți probleme legate de ciclul termic. Placa de circuit imprimat, bilele de lipit și siliciul se extind și se contractă la viteze diferite. Prin urmare, este normal să vezi defecțiuni ale ciclului termic în colțurile pachetului, unde bilele de lipit se pot crăpa. Deci s-ar putea pune un fir de împământare suplimentar acolo sau o sursă de alimentare suplimentară.
Popularul pachet BGA flip-chip în prezent cu CPU și HBM are o suprafață de aproximativ 2500 de milimetri pătrați. „Vedem că un cip mare poate deveni patru sau cinci cipuri mici”, a spus Mike McIntyre, director de management al produselor software la Onto Innovation. „Deci trebuie să aveți mai multe I/O pentru a permite acelor cipuri să vorbească între ele. Așa că puteți aloca căldură.
În cele din urmă, răcirea este o problemă care poate fi rezolvată la nivel de sistem și vine cu o serie de compromisuri.
De fapt, unele dispozitive sunt atât de complexe încât este dificil să înlocuiți ușor componente pentru a personaliza aceste dispozitive pentru un anumit domeniu de aplicare. Acesta este motivul pentru care multe produse de ambalare avansate sunt folosite pentru componente de volum foarte mare sau elastice la preț, cum ar fi cipurile de server.
02 Progrese în simularea și testarea modulelor de cip
Cu toate acestea, inginerii caută noi modalități de a efectua analize termice a fiabilității pachetului înainte ca modulele ambalate să fie fabricate. De exemplu, Siemens oferă un exemplu de modul bazat pe dublu-ASIC care montează un strat de redistribuire ventilat (RDL) pe un substrat organic multistrat într-un pachet BGA. Folosește două modele, unul pentru WLP bazat pe RDL și celălalt pentru BGA pe substraturi organice multistrat. Aceste modele de pachete sunt parametrice, inclusiv stiva de strat de substrat și BGA înainte de introducerea informațiilor EDA și permit evaluarea timpurie a materialului și selectarea plasării matrițelor. În continuare, au fost importate datele EDA și, pentru fiecare model, hărțile materialelor au oferit o descriere termică detaliată a distribuției cuprului în toate straturile. Simularea finală a disipării căldurii (vezi Figura 2) a luat în considerare toate materialele, cu excepția capacului metalic, a TIM și a materialelor de umplere inferioară.
Directorul tehnic de marketing al JCET, Eric Ouyang, s-a alăturat inginerilor JCET și Meta pentru a compara performanța termică a cipurilor monolitice, modulelor cu mai multe cipuri, interpozitoarelor 2.5D și cipurilor stivuite 3D cu un ASIC și două SRAM. Procesul de comparație menține mediul serverului, radiatorul cu cameră de vid și TIM constant. Din punct de vedere termic, 2.5D și MCM au rezultate mai bune decât cipurile 3D sau monolitice. Ouyang și colegii de la JCET au conceput o matrice de rezistență și o diagramă a anvelopei de putere (vezi Figura 3) care poate fi utilizată în proiectarea timpurie a modulelor pentru a determina nivelurile de putere de intrare ale diferitelor cipuri și a seta joncțiuni înainte de simulări termice consumatoare de timp. Dacă temperatura poate fi combinată în mod fiabil. După cum se arată în figură, o zonă sigură evidențiază intervalul de putere pe fiecare cip care îndeplinește standardele de fiabilitate.
Ouyang a explicat că în timpul procesului de proiectare, proiectanții de circuite pot avea o idee despre nivelurile de putere ale diferitelor cipuri plasate în modul, dar este posibil să nu știe dacă acele niveluri de putere sunt în limitele de fiabilitate. Această diagramă determină zona de alimentare sigură pentru până la trei cipuri dintr-un modul chiplet. Echipa a dezvoltat un calculator automat de putere pentru mai multe cipuri.
03 Cuantificați rezistența termică
Putem înțelege modul în care căldura este condusă prin cipul de siliciu, placa de circuit, lipici, TIM sau capacul pachetului și putem folosi metode standard de diferență de temperatură și funcție de putere pentru a urmări valorile temperaturii și rezistenței.
„Calea termică este cuantificată prin trei valori cheie - rezistența termică de la joncțiunea dispozitivului la mediu, rezistența termică de la joncțiune la carcasă [pe partea de sus a pachetului] și rezistența termică de la joncțiune la placa de circuite", a spus Ouyang de la JCET. rezistenta termica. El a observat că, cel puțin, clienții JCET au nevoie de θja, θjc și θjb, pe care apoi le folosesc în proiectarea sistemului. Acestea pot cere ca o anumită rezistență termică să nu depășească o anumită valoare și să solicite ca designul pachetului să ofere acea performanță. (Consultați JESD51-12 JEDEC, Ghid pentru raportarea și utilizarea informațiilor termice ale pachetelor pentru detalii).
Simularea termică este cea mai economică modalitate de a explora selecția și potrivirea materialelor. Simulând așchiul în stare de funcționare, găsim de obicei unul sau mai multe puncte fierbinți, astfel încât să putem adăuga cupru materialului de bază sub punctele fierbinți pentru a facilita disiparea căldurii; sau schimbați materialul de ambalare și adăugați un radiator. Integratorul de sistem poate specifica că rezistențele termice θja, θjc și θjb nu trebuie să depășească anumite valori. În mod normal, temperatura joncțiunii de siliciu trebuie menținută sub 125 de grade.
După ce simularea este finalizată, fabrica de ambalare realizează un proiect de experimente (DOE) pentru a ajunge la soluția finală de ambalare.
04 Selectați TIM
Într-un pachet, mai mult de 90% din căldură este disipată prin pachet din partea superioară a cipului către un radiator, de obicei aripioare verticale pe bază de aluminiu anodizat. Un material de interfață termică (TIM) cu conductivitate termică ridicată este plasat între cip și pachet pentru a ajuta la transferul căldurii. TIM-urile de ultimă generație pentru procesoare includ aliaje de tablă, cum ar fi indiul și staniul, precum și staniul sinterizat cu argint, cu conductivități de 60W/mK și, respectiv, 50W/mK.
Pe măsură ce producătorii tranzitează SoC-urile la procesele chiplet, sunt necesare mai multe TIM-uri cu proprietăți și grosimi diferite.
YoungDo Kweon, director senior de cercetare și dezvoltare la Amkor, a spus că pentru sistemele de înaltă densitate, rezistența termică a TIM-ului dintre cip și pachet are un impact mai mare asupra rezistenței termice generale a modulului ambalat. Tendințele de putere cresc dramatic, în special pentru logică, așa că ne concentrăm pe menținerea temperaturilor joncțiunilor scăzute pentru a asigura funcționarea fiabilă a semiconductorilor. Deși furnizorii TIM oferă valori de rezistență termică pentru materialele lor, în realitate, rezistența termică de la cip la pachet (θjc) este afectată de procesul de asamblare în sine, inclusiv de calitatea lipirii și zona de contact dintre cip și TIM. El a remarcat că testarea cu instrumente reale de asamblare și materiale de lipire într-un mediu controlat este esențială pentru înțelegerea performanței termice reale și pentru selectarea celui mai bun TIM pentru calificarea clientului.
Lacunele sunt o problemă specială. Parry de la Siemens a spus: „Folosirea materialelor în ambalaje este o mare provocare. Știm deja că proprietățile materialelor adezivului sau lipiciului și felul în care materialul udă suprafața, vor afecta rezistența termică generală prezentată de material, adică rezistența de contact depinde foarte mult de modul în care materialul curge în suprafață fără a crea imperfecțiuni care creează rezistență suplimentară la fluxul de căldură.
05 Gestionarea diferită a problemelor legate de căldură
Producătorii de așchii caută modalități de a rezolva problema disipării căldurii. Randy White, manager de programe de soluții de memorie la Keysight Technologies, a declarat: „Metoda de ambalare rămâne aceeași, dacă reduceți dimensiunea cipului cu un sfert, se va accelera. Pot exista unele diferențe de integritate a semnalului. Din cauza cheilor externe ale pachetului. Firul de legătură intră în cip și cu cât este mai lung, cu atât este mai mare inductanța, deci există partea de performanță electrică. Deci, cum disipați atât de multă energie într-un spațiu suficient de mic. Acesta este un alt parametru cheie care trebuie studiat ."
Acest lucru a condus la investiții semnificative în cercetarea de ultimă oră a legăturii, concentrându-se aparent pe lipirea hibridă. Dar legarea hibridă este costisitoare și rămâne limitată la aplicații de tip procesor de înaltă performanță, TSMC fiind în prezent una dintre singurele companii care oferă această tehnologie. Cu toate acestea, perspectivele pentru combinarea fotonilor pe cipuri CMOS sau nitrura de galiu pe siliciu sunt promițătoare.
06 Concluzie
Ideea inițială pentru ambalarea avansată este că va funcționa precum cărămizile Lego - cipurile dezvoltate la diferite noduri de proces pot fi asamblate împreună și problemele termice vor fi atenuate. Dar asta are un cost. Din punct de vedere al performanței și al puterii, distanța pe care trebuie să o parcurgă semnalul este importantă, iar circuitele care sunt mereu pornite sau trebuie să rămână parțial deschise pot afecta performanța termică. Împărțirea unui cip în mai multe părți pentru a crește randamentul și flexibilitatea nu este atât de simplă pe cât pare. Fiecare interconectare din pachet trebuie optimizată, iar hotspot-urile nu se mai limitează la un singur cip.
Instrumentele timpurii de modelare ar putea fi folosite pentru a exclude diferite combinații de cipuri, oferind proiectanților module complexe un impuls mare. În această eră a densităților de putere în continuă creștere, simularea termică și introducerea de noi TIM-uri vor rămâne esențiale.
