Πώς να λύσετε τα θερμικά προβλήματα της συσκευασίας τσιπ
Τα λογικά τσιπ παράγουν θερμότητα και όσο πιο πυκνή είναι η λογική και όσο μεγαλύτερη είναι η χρήση των στοιχείων επεξεργασίας, τόσο μεγαλύτερη είναι η θερμότητα. ...
Οι μηχανικοί αναζητούν τρόπους αποτελεσματικής διάχυσης της θερμότητας από πολύπλοκες μονάδες.
Η τοποθέτηση πολλών τσιπ δίπλα δίπλα στην ίδια συσκευασία μπορεί να μετριάσει τα θερμικά ζητήματα, αλλά καθώς οι εταιρείες εμβαθύνουν στη στοίβαξη τσιπ και στην πυκνότερη συσκευασία για να αυξήσουν την απόδοση και να μειώσουν την ισχύ, μάχονται με ένα νέο σύνολο ζητημάτων που σχετίζονται με τη θερμότητα.
Τα προηγμένα τσιπ συσκευασίας μπορούν όχι μόνο να καλύψουν τις ανάγκες υπολογιστών υψηλής απόδοσης, τεχνητής νοημοσύνης, αύξησης πυκνότητας ισχύος κ.λπ., αλλά και τα ζητήματα απαγωγής θερμότητας των προηγμένων συσκευασιών έχουν γίνει επίσης πολύπλοκα. Επειδή τα hot spot σε ένα τσιπ θα επηρεάσουν την κατανομή θερμότητας των γειτονικών τσιπ. Η ταχύτητα διασύνδεσης μεταξύ των τσιπ είναι επίσης πιο αργή στα modules από ότι στα SoC.
«Πριν ο κόσμος ασχοληθεί με πράγματα όπως ο πολυπύρηνος, είχατε να κάνουμε με ένα τσιπ που είχε μέγιστη ισχύ περίπου 150 watt ανά τετραγωνικό εκατοστό, που ήταν μια ενιαία σημειακή πηγή θερμότητας», δήλωσε ο John Parry, επικεφαλής ηλεκτρονικών και ημιαγωγών στο Λογισμικό Siemens Digital Industries. Μπορείτε να διαχέετε τη θερμότητα και στις τρεις κατευθύνσεις, ώστε να μπορείτε να επιτύχετε αρκετά υψηλές πυκνότητες ισχύος. Αλλά όταν έχετε ένα τσιπ και βάζετε ένα άλλο τσιπ δίπλα του, και μετά βάζετε ένα άλλο τσιπ δίπλα του, «θερμαίνονται ο ένας τον άλλον. Αυτό σημαίνει ότι δεν μπορείτε να ανεχτείτε το ίδιο επίπεδο ισχύος για κάθε τσιπ, το οποίο κάνει τη θερμική πρόκληση πολύ πιο δύσκολη».
Αυτός είναι ένας από τους κύριους λόγους για την αργή πρόοδο της στοίβαξης 3D-IC στην αγορά. Ενώ η ιδέα έχει νόημα από την άποψη της απόδοσης ισχύος και της ολοκλήρωσης - και λειτουργεί καλά σε 3D NAND και HBM - είναι διαφορετική ιστορία όταν περιλαμβάνεται η λογική. Τα λογικά τσιπ παράγουν θερμότητα και όσο πιο πυκνή είναι η λογική και όσο μεγαλύτερη είναι η χρήση των στοιχείων επεξεργασίας, τόσο μεγαλύτερη είναι η θερμότητα. Αυτό κάνει τη λογική στοίβαξη σπάνια, γεγονός που εξηγεί τη δημοτικότητα των σχεδίων 2,5D flip-chip BGA και ανεμιστήρα
01 Επιλέξτε το σωστό πακέτο
Για τους σχεδιαστές τσιπ, υπάρχουν πολλές επιλογές συσκευασίας. Αλλά η απόδοση της ενσωμάτωσης τσιπ είναι ζωτικής σημασίας. Εξαρτήματα όπως πυρίτιο, TSV, χάλκινες κολόνες κ.λπ. έχουν όλα διαφορετικούς θερμικούς συντελεστές διαστολής (TCE), γεγονός που επηρεάζει την απόδοση της συναρμολόγησης και τη μακροπρόθεσμη αξιοπιστία.
Εάν ανοίγετε και κλείνετε σε υψηλότερη συχνότητα, μπορεί να αντιμετωπίσετε προβλήματα θερμικής κύκλων. Η πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος, οι σφαίρες συγκόλλησης και το πυρίτιο διαστέλλονται και συστέλλονται με διαφορετικούς ρυθμούς. Επομένως, είναι φυσιολογικό να βλέπετε αστοχίες θερμικής ανακύκλωσης στις γωνίες της συσκευασίας, όπου οι σφαίρες συγκόλλησης μπορεί να σπάσουν. Έτσι, κάποιος μπορεί να βάλει ένα επιπλέον καλώδιο γείωσης εκεί ή ένα επιπλέον τροφοδοτικό.
Το δημοφιλές πακέτο BGA με flip-chip με CPU και HBM έχει έκταση περίπου 2500 τετραγωνικά χιλιοστά. "Βλέπουμε ότι ένα μεγάλο τσιπ μπορεί να γίνει τέσσερα ή πέντε μικρά τσιπ", δήλωσε ο Mike McIntyre, διευθυντής διαχείρισης προϊόντων λογισμικού στην Onto Innovation. "Έτσι πρέπει να έχετε περισσότερο I/O για να επιτρέψετε σε αυτά τα τσιπ να συνομιλούν μεταξύ τους. Έτσι μπορείτε να κατανείμετε θερμότητα.
Τελικά, η ψύξη είναι ένα ζήτημα που μπορεί να αντιμετωπιστεί σε επίπεδο συστήματος και συνοδεύεται από μια σειρά από συμβιβασμούς.
Στην πραγματικότητα, ορισμένες συσκευές είναι τόσο περίπλοκες που είναι δύσκολο να αντικατασταθούν εύκολα εξαρτήματα προκειμένου να προσαρμοστούν αυτές οι συσκευές για ένα συγκεκριμένο πεδίο εφαρμογής. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο πολλά προηγμένα προϊόντα συσκευασίας χρησιμοποιούνται για εξαρτήματα πολύ μεγάλου όγκου ή ελαστικά ως προς την τιμή, όπως τσιπ διακομιστή.
02 Πρόοδος στην προσομοίωση και τη δοκιμή της μονάδας chip
Παρόλα αυτά, οι μηχανικοί αναζητούν νέους τρόπους για τη διεξαγωγή θερμικής ανάλυσης της αξιοπιστίας του πακέτου πριν από την κατασκευή συσκευασμένων μονάδων. Για παράδειγμα, η Siemens παρέχει ένα παράδειγμα μιας μονάδας που βασίζεται σε διπλό ASIC που τοποθετεί ένα στρώμα ανακατανομής ανεμιστήρα (RDL) σε ένα πολυστρωματικό οργανικό υπόστρωμα σε μια συσκευασία BGA. Χρησιμοποιεί δύο μοντέλα, ένα για WLP που βασίζεται σε RDL και το άλλο για BGA σε οργανικά υποστρώματα πολλαπλών στρωμάτων. Αυτά τα μοντέλα πακέτων είναι παραμετρικά, συμπεριλαμβανομένης της στοίβας στρώματος υποστρώματος και του BGA πριν από την εισαγωγή των πληροφοριών EDA, και επιτρέπουν την πρώιμη αξιολόγηση υλικού και την επιλογή τοποθέτησης καλουπιών. Στη συνέχεια, εισήχθησαν δεδομένα EDA και, για κάθε μοντέλο, οι χάρτες υλικού παρείχαν μια λεπτομερή θερμική περιγραφή της κατανομής του χαλκού σε όλα τα στρώματα. Η τελική προσομοίωση απαγωγής θερμότητας (βλ. Εικόνα 2) εξέτασε όλα τα υλικά εκτός από το μεταλλικό καπάκι, το TIM και τα υλικά υπογεμίσματος.
Ο Τεχνικός Διευθυντής Μάρκετινγκ της JCET, Eric Ouyang, προσχώρησε στους μηχανικούς της JCET και της Meta για να συγκρίνει τη θερμική απόδοση μονολιθικών τσιπ, μονάδων πολλαπλών τσιπ, 2.5D interposers και 3D stacked chip με ένα ASIC και δύο SRAM. Η διαδικασία σύγκρισης διατηρεί σταθερό το περιβάλλον διακομιστή, την ψύκτρα με θάλαμο κενού και το TIM. Θερμικά, τα 2.5D και MCM αποδίδουν καλύτερα από τα 3D ή τα μονολιθικά τσιπ. Ο Ouyang και οι συνεργάτες του στο JCET σχεδίασαν μια μήτρα αντίστασης και ένα διάγραμμα περιβλήματος ισχύος (βλ. Εικόνα 3) που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην πρώιμη σχεδίαση της μονάδας για τον προσδιορισμό των επιπέδων ισχύος εισόδου διαφορετικών τσιπ και τη ρύθμιση των συνδέσεων πριν από χρονοβόρες θερμικές προσομοιώσεις. Εάν η θερμοκρασία μπορεί να συνδυαστεί αξιόπιστα. Όπως φαίνεται στο σχήμα, μια ασφαλής ζώνη υπογραμμίζει το εύρος ισχύος σε κάθε τσιπ που πληροί τα πρότυπα αξιοπιστίας.
Ο Ouyang εξήγησε ότι κατά τη διάρκεια της διαδικασίας 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 είναι εντός των ορίων αξιοπιστίας. Αυτό το διάγραμμα καθορίζει την ασφαλή περιοχή ισχύος για έως και τρία τσιπ σε μια μονάδα chiplet. Η ομάδα έχει αναπτύξει έναν αυτόματο υπολογιστή ισχύος για περισσότερες μάρκες.
03 Ποσοτικοποιήστε τη θερμική αντίσταση
Μπορούμε να κατανοήσουμε πώς μεταδίδεται η θερμότητα μέσω του τσιπ πυριτίου, της πλακέτας κυκλώματος, της κόλλας, του TIM ή του καπακιού της συσκευασίας και χρησιμοποιούμε τυπικές μεθόδους διαφοράς θερμοκρασίας και λειτουργίας ισχύος για την παρακολούθηση των τιμών θερμοκρασίας και αντίστασης.
«Η θερμική διαδρομή ποσοτικοποιείται με τρεις βασικές τιμές - τη θερμική αντίσταση από τη διασταύρωση της συσκευής στο περιβάλλον, τη θερμική αντίσταση από τη διασταύρωση στη θήκη [πάνω από τη συσκευασία] και τη θερμική αντίσταση από τη διασταύρωση προς το πλακέτα κυκλώματος», είπε ο Ouyang της JCET. θερμική αντίσταση. Σημείωσε ότι, τουλάχιστον, οι πελάτες της JCET απαιτούν τα θja, θjc και θjb, τα οποία στη συνέχεια χρησιμοποιούν στο σχεδιασμό του συστήματος. Μπορεί να απαιτούν μια δεδομένη θερμική αντίσταση να μην υπερβαίνει μια συγκεκριμένη τιμή και να απαιτούν ο σχεδιασμός της συσκευασίας να παρέχει αυτή την απόδοση. (Δείτε το JEDEC's JESD51-12, Οδηγίες για την αναφορά και τη χρήση των θερμικών πληροφοριών πακέτων για λεπτομέρειες).
Η θερμική προσομοίωση είναι ο πιο οικονομικός τρόπος για να εξερευνήσετε την επιλογή και την αντιστοίχιση υλικών. Με την προσομοίωση του τσιπ σε κατάσταση λειτουργίας, βρίσκουμε συνήθως ένα ή περισσότερα hot spots, έτσι μπορούμε να προσθέσουμε χαλκό στο βασικό υλικό κάτω από τα hot spots για να διευκολύνουμε τη διάχυση της θερμότητας. ή αλλάξτε το υλικό συσκευασίας και προσθέστε μια ψύκτρα. Ο ολοκληρωτής συστήματος μπορεί να καθορίσει ότι οι θερμικές αντιστάσεις θja, θjc και θjb δεν πρέπει να υπερβαίνουν ορισμένες τιμές. Κανονικά, η θερμοκρασία ένωσης πυριτίου πρέπει να διατηρείται κάτω από 125 βαθμούς.
Μετά την ολοκλήρωση της προσομοίωσης, το εργοστάσιο συσκευασίας διεξάγει έναν σχεδιασμό πειραμάτων (DOE) για να καταλήξει στην τελική λύση συσκευασίας.
04 Επιλέξτε TIM
Σε μια συσκευασία, περισσότερο από το 90% της θερμότητας διαχέεται μέσω της συσκευασίας από την κορυφή του τσιπ σε μια ψύκτρα, συνήθως κάθετα πτερύγια με βάση ανοδιωμένο αλουμίνιο. Ένα υλικό θερμικής διεπαφής (TIM) με υψηλή θερμική αγωγιμότητα τοποθετείται μεταξύ του τσιπ και της συσκευασίας για να βοηθήσει στη μεταφορά θερμότητας. Τα TIM επόμενης γενιάς για CPU περιλαμβάνουν κράματα λαμαρίνας όπως ίνδιο και κασσίτερο, καθώς και κασσίτερο πυροσυσσωματωμένο με άργυρο, με αγωγιμότητα 60W/mK και 50W/mK αντίστοιχα.
Καθώς οι κατασκευαστές μεταβαίνουν τα SoC σε διεργασίες chiplet, χρειάζονται περισσότερα TIM με διαφορετικές ιδιότητες και πάχη.
Ο YoungDo Kweon, ανώτερος διευθυντής Ε&Α στην Amkor, είπε ότι για συστήματα υψηλής πυκνότητας, η θερμική αντίσταση του TIM μεταξύ του τσιπ και της συσκευασίας έχει μεγαλύτερο αντίκτυπο στη συνολική θερμική αντίσταση της συσκευασμένης μονάδας. Οι τάσεις ισχύος αυξάνονται δραματικά, ειδικά για τη λογική, επομένως εστιάζουμε στη διατήρηση της θερμοκρασίας των συνδέσμων χαμηλά για να διασφαλίσουμε αξιόπιστη λειτουργία ημιαγωγών. Αν και οι προμηθευτές TIM παρέχουν τιμές θερμικής αντίστασης για τα υλικά τους, στην πραγματικότητα, η θερμική αντίσταση από τσιπ σε συσκευασία (θjc) επηρεάζεται από την ίδια τη διαδικασία συναρμολόγησης, συμπεριλαμβανομένης της ποιότητας συγκόλλησης και της περιοχής επαφής μεταξύ του τσιπ και του TIM. Σημείωσε ότι η δοκιμή με πραγματικά εργαλεία συναρμολόγησης και υλικά συγκόλλησης σε ελεγχόμενο περιβάλλον είναι κρίσιμης σημασίας για την κατανόηση της πραγματικής θερμικής απόδοσης και την επιλογή του καλύτερου TIM για τα προσόντα των πελατών.
Τα κενά είναι ένα ιδιαίτερο πρόβλημα. Ο Parry της Siemens είπε, "Η χρήση υλικών στη συσκευασία είναι μια μεγάλη πρόκληση. Γνωρίζουμε ήδη ότι οι ιδιότητες του υλικού της κόλλας ή της κόλλας και ο τρόπος με τον οποίο το υλικό βρέχει την επιφάνεια, θα επηρεάσει τη συνολική θερμική αντίσταση που παρουσιάζει το υλικό. Δηλαδή, η αντίσταση επαφής εξαρτώνται από το πώς το υλικό ρέει στην επιφάνεια χωρίς να δημιουργεί ατέλειες που δημιουργούν πρόσθετη αντίσταση στη ροή της θερμότητας.
05 Διαφορετική αντιμετώπιση των ζητημάτων θερμότητας
Οι κατασκευαστές τσιπ ψάχνουν τρόπους να λύσουν το πρόβλημα της απαγωγής θερμότητας. Ο Randy White, διευθυντής προγράμματος λύσεων μνήμης στην Keysight Technologies, δήλωσε: "Η μέθοδος συσκευασίας παραμένει η ίδια, εάν μειώσετε το μέγεθος του τσιπ κατά ένα τέταρτο, θα επιταχυνθεί. Μπορεί να υπάρχουν κάποιες διαφορές στην ακεραιότητα του σήματος. Λόγω των εξωτερικών κλειδιών συσκευασίας Το σύρμα συγκόλλησης μπαίνει στο τσιπ, και όσο μεγαλύτερο είναι το καλώδιο, τόσο μεγαλύτερη είναι η επαγωγή, οπότε υπάρχει το τμήμα ηλεκτρικής απόδοσης Λοιπόν, πώς διαχέετε τόση ενέργεια σε έναν αρκετά μικρό χώρο. Αυτή είναι μια άλλη βασική παράμετρος που πρέπει να μελετηθεί ."
Αυτό οδήγησε σε σημαντικές επενδύσεις στην έρευνα αιχμής για τη σύνδεση, εστιάζοντας φαινομενικά στην υβριδική σύνδεση. Αλλά η υβριδική συγκόλληση είναι ακριβή και παραμένει περιορισμένη σε εφαρμογές τύπου επεξεργαστή υψηλής απόδοσης, με την TSMC επί του παρόντος μια από τις μοναδικές εταιρείες που προσφέρουν αυτήν την τεχνολογία. Ωστόσο, οι προοπτικές για συνδυασμό φωτονίων σε τσιπ CMOS ή νιτριδίου του γαλλίου σε πυρίτιο είναι ελπιδοφόρες.
06 Συμπέρασμα
Η αρχική ιδέα για προηγμένη συσκευασία είναι ότι θα λειτουργήσει όπως τα τουβλάκια Lego - τα τσιπ που έχουν αναπτυχθεί σε διαφορετικούς κόμβους διαδικασίας μπορούν να συναρμολογηθούν μαζί και τα θερμικά προβλήματα θα μετριαστούν. Αυτό όμως έχει κόστος. Από άποψη απόδοσης και ισχύος, η απόσταση που χρειάζεται το σήμα για να διανύσει είναι σημαντική και τα κυκλώματα που είναι πάντα ενεργοποιημένα ή πρέπει να παραμείνουν μερικώς ανοιχτά, μπορούν να επηρεάσουν τη θερμική απόδοση. Το να χωρίσετε ένα τσιπ σε πολλά μέρη για να αυξήσετε την απόδοση και την ευελιξία δεν είναι τόσο απλό όσο φαίνεται. Κάθε διασύνδεση στο πακέτο πρέπει να βελτιστοποιηθεί και τα hotspot δεν περιορίζονται πλέον σε ένα μόνο τσιπ.
Τα πρώιμα εργαλεία μοντελοποίησης θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να αποκλειστούν διαφορετικοί συνδυασμοί τσιπ, δίνοντας στους σχεδιαστές σύνθετων μονάδων μεγάλη ώθηση. Σε αυτήν την εποχή των συνεχώς αυξανόμενων πυκνοτήτων ισχύος, η θερμική προσομοίωση και η εισαγωγή νέων TIM θα παραμείνουν απαραίτητες.
