วิธีแก้ปัญหาความร้อนของบรรจุภัณฑ์ชิป
ชิปบรรจุภัณฑ์ขั้นสูงไม่เพียงตอบสนองความต้องการของคอมพิวเตอร์ประสิทธิภาพสูง ปัญญาประดิษฐ์ การเติบโตของความหนาแน่นของพลังงาน ฯลฯ เท่านั้น แต่ยังทำให้ปัญหาการกระจายความร้อนของบรรจุภัณฑ์ขั้นสูงมีความซับซ้อนอีกด้วย เนื่องจากฮอตสปอตบนชิปอาจส่งผลต่อการกระจายความร้อนของชิปที่อยู่ติดกัน ความเร็วการเชื่อมต่อระหว่างชิปยังช้ากว่าในโมดูลมากกว่าใน SoC
วิศวกรกำลังค้นหาวิธีที่มีประสิทธิภาพในการกระจายความร้อนจากโมดูลที่ซับซ้อน การวางชิปหลายตัวไว้เคียงข้างกันในบรรจุภัณฑ์เดียวกันสามารถบรรเทาปัญหาด้านความร้อนได้ แต่ในขณะที่บริษัทเจาะลึกเพิ่มเติมเกี่ยวกับการซ้อนชิปและบรรจุภัณฑ์ที่หนาแน่นขึ้น เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพและลดพลังงาน พวกเขากำลังต่อสู้กับปัญหาใหม่ ๆ ที่เกี่ยวข้องกับความร้อน
พื้นที่บรรจุภัณฑ์ฟลิป BGA แบบพลิกยอดนิยมในปัจจุบันที่มี CPU และ HBM มีขนาดประมาณ 2,500 ตารางมิลลิเมตร เราจะเห็นว่าชิปขนาดใหญ่อาจกลายเป็นชิปขนาดเล็กสี่หรือห้าชิป ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมี I/O มากขึ้นเพื่อให้ชิปเหล่านี้สื่อสารระหว่างกันได้ คุณจึงสามารถกระจายความร้อนได้ ในความเป็นจริง อุปกรณ์บางอย่างมีความซับซ้อนมากจนเป็นการยากที่จะเปลี่ยนส่วนประกอบได้อย่างง่ายดายเพื่อปรับแต่งอุปกรณ์เหล่านี้สำหรับการใช้งานภาคสนามเฉพาะ ด้วยเหตุนี้ผลิตภัณฑ์บรรจุภัณฑ์ขั้นสูงจำนวนมากจึงถูกนำมาใช้กับส่วนประกอบที่มีปริมาณหรือความยืดหยุ่นด้านราคาจำนวนมาก เช่น ชิปเซิร์ฟเวอร์
ในระหว่างขั้นตอนการออกแบบ นักออกแบบวงจรอาจมีแนวคิดเกี่ยวกับระดับพลังงานของชิปต่างๆ ที่วางอยู่ในโมดูล แต่อาจไม่ทราบว่าระดับพลังงานเหล่านี้อยู่ในช่วงความน่าเชื่อถือหรือไม่ ดังนั้น วิศวกรจึงค้นหาวิธีการใหม่ๆ เพื่อทำการวิเคราะห์เชิงความร้อนของความน่าเชื่อถือของบรรจุภัณฑ์ก่อนการผลิตโมดูลบรรจุภัณฑ์ ด้วยการจำลองความร้อน เราสามารถเข้าใจวิธีการนำความร้อนผ่านชิปซิลิคอน แผงวงจร กาว TIM หรือฝาปิดบรรจุภัณฑ์ ขณะเดียวกันก็ใช้วิธีการมาตรฐาน เช่น ความแตกต่างของอุณหภูมิและฟังก์ชันพลังงานเพื่อติดตามค่าอุณหภูมิและความต้านทาน
การจำลองความร้อนเป็นวิธีการที่ประหยัดที่สุดในการสำรวจการเลือกและการจับคู่วัสดุ ด้วยการจำลองชิปในสถานะการทำงาน เรามักจะค้นพบฮอตสปอตอย่างน้อยหนึ่งจุด ดังนั้นเราจึงสามารถเพิ่มทองแดงลงในซับสเตรตด้านล่างฮอตสปอตเพื่ออำนวยความสะดวกในการกระจายความร้อน หรือเปลี่ยนวัสดุบรรจุภัณฑ์และเพิ่มแผ่นระบายความร้อน
ในบรรจุภัณฑ์ ความร้อนมากกว่า 90% กระจายจากด้านบนของชิปไปยังแผ่นระบายความร้อนผ่านบรรจุภัณฑ์ ซึ่งโดยปกติจะเป็นครีบแนวตั้งที่ทำจากอะลูมิเนียมออกไซด์ที่ชุบอโนไดซ์ วัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อน (TIM) ที่มีค่าการนำความร้อนสูงจะถูกวางไว้ระหว่างชิปและบรรจุภัณฑ์เพื่อช่วยถ่ายเทความร้อน TIM เจนเนอเรชั่นถัดไปสำหรับ CPU ประกอบด้วยแผ่นโลหะอัลลอยด์ (เช่น อินเดียมและดีบุก) เช่นเดียวกับดีบุกเผาผนึกเงิน ที่มีค่าการนำไฟฟ้า 60W/mK และ 50W/mK ตามลำดับ
แนวคิดเริ่มต้นของบรรจุภัณฑ์ขั้นสูงคือ มันจะทำงานเหมือนกับบล็อคตัวต่อของ LEGO โดยสามารถประกอบชิปที่พัฒนาที่โหนดกระบวนการต่างๆ เข้าด้วยกันได้ และปัญหาด้านความร้อนจะบรรเทาลง แต่สิ่งนี้มีค่าใช้จ่าย จากมุมมองของประสิทธิภาพและกำลัง ระยะทางที่สัญญาณต้องกระจายเป็นสิ่งสำคัญ และวงจรยังคงเปิดอยู่เสมอหรือจำเป็นต้องเปิดบางส่วน ซึ่งอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพการระบายความร้อน การแยกเศษออกเป็นหลายส่วนเพื่อเพิ่มการผลิตและความยืดหยุ่นนั้นไม่ง่ายอย่างที่คิด การเชื่อมต่อระหว่างกันแต่ละรายการในบรรจุภัณฑ์ต้องได้รับการปรับให้เหมาะสม และฮอตสปอตไม่ได้จำกัดอยู่เพียงชิปตัวเดียวอีกต่อไป
เครื่องมือสร้างแบบจำลองในช่วงแรกๆ สามารถใช้เพื่อแยกชิปต่างๆ เข้าด้วยกัน ซึ่งเป็นแรงผลักดันที่ยอดเยี่ยมสำหรับนักออกแบบโมดูลที่ซับซ้อน ในยุคของความหนาแน่นของพลังงานที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องนี้ การจำลองความร้อนและการแนะนำ TIM ใหม่จะยังคงมีความสำคัญ
