Πώς να λύσετε το θερμικό πρόβλημα της συσκευασίας των τσιπ
Τα προηγμένα τσιπ συσκευασίας όχι μόνο καλύπτουν τις ανάγκες υπολογιστών υψηλής απόδοσης, τεχνητής νοημοσύνης, αύξησης πυκνότητας ισχύος κ.λπ., αλλά περιπλέκουν επίσης τα ζητήματα απαγωγής θερμότητας των προηγμένων συσκευασιών. Επειδή ένα hot spot σε ένα τσιπ μπορεί να επηρεάσει την κατανομή θερμότητας των παρακείμενων τσιπ. Η ταχύτητα διασύνδεσης μεταξύ των τσιπ είναι επίσης πιο αργή στις μονάδες από ότι στο SoC.
Οι μηχανικοί αναζητούν αποτελεσματικούς τρόπους για να διαχέουν τη θερμότητα από πολύπλοκες μονάδες. Η τοποθέτηση πολλών τσιπ δίπλα δίπλα στην ίδια συσκευασία μπορεί να μετριάσει τα θερμικά προβλήματα, αλλά καθώς η εταιρεία εμβαθύνει στη στοίβαξη τσιπ και στην πυκνότερη συσκευασία για να βελτιώσει την απόδοση και να μειώσει την ισχύ, αντιμετωπίζει μια σειρά νέων προβλημάτων που σχετίζονται με τη θερμότητα.
Η τρέχουσα δημοφιλής περιοχή συσκευασίας Flip BGA με CPU και HBM είναι περίπου 2500 τετραγωνικά χιλιοστά. Βλέπουμε ότι ένα μεγάλο τσιπ μπορεί να γίνει τέσσερις ή πέντε μικρές μάρκες. Άρα είναι απαραίτητο να έχουμε περισσότερα I/O για να επικοινωνούν αυτά τα τσιπ μεταξύ τους. Έτσι μπορείτε να διανείμετε θερμότητα. Στην πραγματικότητα, ορισμένες συσκευές είναι τόσο περίπλοκες που είναι δύσκολο να αντικατασταθούν εύκολα εξαρτήματα προκειμένου να προσαρμοστούν αυτές οι συσκευές για συγκεκριμένες εφαρμογές πεδίου. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο πολλά προηγμένα προϊόντα συσκευασίας χρησιμοποιούνται για εξαρτήματα με πολύ μεγάλες ποσότητες ή ελαστικότητα τιμής, όπως τσιπ διακομιστή.
Κατά τη διαδικασία σχεδιασμού, οι σχεδιαστές κυκλωμάτων μπορεί να έχουν μια ιδέα για τα επίπεδα ισχύος των διαφόρων τσιπ που τοποθετούνται στη μονάδα, αλλά μπορεί να μην γνωρίζουν εάν αυτά τα επίπεδα ισχύος βρίσκονται εντός του εύρους αξιοπιστίας. Ως εκ τούτου, οι μηχανικοί αναζητούν νέες μεθόδους για τη διεξαγωγή θερμικής ανάλυσης της αξιοπιστίας της συσκευασίας πριν από την κατασκευή μονάδων συσκευασίας. Μέσω της θερμικής προσομοίωσης, μπορούμε να κατανοήσουμε πώς η θερμότητα μεταφέρεται μέσω τσιπ πυριτίου, πλακέτες κυκλωμάτων, κόλλες, TIM ή καλύμματα συσκευασίας, ενώ χρησιμοποιούμε τυπικές μεθόδους όπως η διαφορά θερμοκρασίας και η λειτουργία ισχύος για την παρακολούθηση τιμών θερμοκρασίας και αντίστασης.
Η θερμική προσομοίωση είναι η πιο οικονομική μέθοδος για τη διερεύνηση της επιλογής και της αντιστοίχισης υλικών. Με την προσομοίωση των τσιπ στην κατάσταση λειτουργίας τους, συνήθως ανακαλύπτουμε ένα ή περισσότερα hotspot, έτσι μπορούμε να προσθέσουμε χαλκό στο υπόστρωμα κάτω από τα hotspots για να διευκολύνουμε τη διάχυση της θερμότητας. Ή αλλάξτε το υλικό συσκευασίας και προσθέστε μια ψύκτρα.
Στη συσκευασία, πάνω από το 90% της θερμότητας διαχέεται από την κορυφή του τσιπ στην ψύκτρα μέσω της συσκευασίας, συνήθως ένα κατακόρυφο πτερύγιο που βασίζεται σε ανοδιωμένο οξείδιο αλουμινίου. Ένα υλικό θερμικής διεπαφής (TIM) με υψηλή θερμική αγωγιμότητα τοποθετείται μεταξύ του τσιπ και της συσκευασίας για να βοηθήσει στη μεταφορά θερμότητας. Η επόμενη γενιά TIM για CPU περιλαμβάνει κράματα μεταλλικών φύλλων (όπως ίνδιο και κασσίτερο), καθώς και πυροσυσσωματωμένο ασήμι, με αγωγιμότητα 60W/mK και 50W/mK, αντίστοιχα.
Η αρχική ιδέα της προηγμένης συσκευασίας είναι ότι θα λειτουργεί σαν δομικά στοιχεία LEGO - τα τσιπ που έχουν αναπτυχθεί σε διαφορετικούς κόμβους διεργασιών μπορούν να συναρμολογηθούν μαζί και τα θερμικά προβλήματα θα αμβλυνθούν. Αυτό όμως έχει κόστος. Από την άποψη της απόδοσης και της ισχύος, η απόσταση που χρειάζεται για να διαδοθεί το σήμα είναι κρίσιμη και το κύκλωμα παραμένει πάντα ανοιχτό ή πρέπει να είναι μερικώς ανοιχτό, γεγονός που μπορεί να επηρεάσει τη θερμική απόδοση. Ο διαχωρισμός των τσιπ σε πολλά μέρη για την αύξηση της παραγωγής και της ευελιξίας δεν είναι τόσο απλός όσο μπορεί να φαίνεται. Κάθε διασύνδεση στη συσκευασία πρέπει να βελτιστοποιηθεί και τα hotspot δεν περιορίζονται πλέον σε ένα μόνο τσιπ.
Τα πρώιμα εργαλεία μοντελοποίησης θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τον αποκλεισμό διαφορετικών συνδυασμών τσιπ, παρέχοντας μια μεγάλη κινητήρια δύναμη για τους σχεδιαστές σύνθετων μονάδων. Σε αυτήν την εποχή της συνεχώς αυξανόμενης πυκνότητας ισχύος, η θερμική προσομοίωση και η εισαγωγή νέων TIM θα εξακολουθούν να είναι απαραίτητες.
