วิธีแก้ปัญหาความร้อนของบรรจุภัณฑ์ชิป

  ชิปลอจิกจะสร้างความร้อน และยิ่งตรรกะมีความหนาแน่นมากขึ้นและมีการใช้งานองค์ประกอบการประมวลผลมากเท่าใด ความร้อนก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น -
วิศวกรกำลังมองหาวิธีกระจายความร้อนจากโมดูลที่ซับซ้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ

การวางชิปหลายตัวไว้เคียงข้างกันในบรรจุภัณฑ์เดียวกันสามารถบรรเทาปัญหาด้านความร้อนได้ แต่ในขณะที่บริษัทต่างๆ เจาะลึกเพิ่มเติมเกี่ยวกับการซ้อนชิปและบรรจุภัณฑ์ที่หนาแน่นขึ้นเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและลดพลังงาน พวกเขากำลังต่อสู้กับปัญหาชุดใหม่ที่เกี่ยวข้องกับความร้อน

ชิปบรรจุภัณฑ์ขั้นสูงไม่เพียงแต่สามารถตอบสนองความต้องการของคอมพิวเตอร์ประสิทธิภาพสูง ปัญญาประดิษฐ์ การเติบโตของความหนาแน่นของพลังงาน ฯลฯ เท่านั้น แต่ปัญหาการกระจายความร้อนของบรรจุภัณฑ์ขั้นสูงก็มีความซับซ้อนเช่นกัน เพราะฮอตสปอตบนชิปตัวเดียวจะส่งผลต่อการกระจายความร้อนของชิปที่อยู่ติดกัน ความเร็วการเชื่อมต่อระหว่างชิปยังช้ากว่าในโมดูลมากกว่าใน SoC

“ก่อนที่โลกจะเข้าสู่เรื่องแบบมัลติคอร์ คุณกำลังเผชิญกับชิปที่มีกำลังสูงสุดประมาณ 150 วัตต์ต่อตารางเซนติเมตร ซึ่งเป็นแหล่งความร้อนจุดเดียว” จอห์น แพร์รี หัวหน้าฝ่ายอิเล็กทรอนิกส์และเซมิคอนดักเตอร์ของกล่าว ซอฟต์แวร์อุตสาหกรรมดิจิทัลของ Siemens คุณสามารถกระจายความร้อนได้ทั้งสามทิศทาง ดังนั้นคุณจึงสามารถได้รับพลังงานที่มีความหนาแน่นค่อนข้างสูง แต่เมื่อคุณมีชิปและวางชิปอีกอันไว้ข้างๆ แล้ววางชิปอีกอันไว้ข้างๆ พวกมัน "พวกมันจะร้อนซึ่งกันและกัน นั่นหมายความว่าคุณไม่สามารถทนต่อระดับพลังงานเดียวกันสำหรับแต่ละชิปได้ ซึ่งทำให้ความร้อน ความท้าทายที่ยากขึ้นมาก"

นี่เป็นหนึ่งในสาเหตุหลักที่ทำให้ 3D-IC Stacking ในตลาดมีความคืบหน้าช้า แม้ว่าแนวคิดนี้จะดูสมเหตุสมผลจากมุมมองด้านประสิทธิภาพการใช้พลังงานและการรวมระบบ และทำงานได้ดีใน 3D NAND และ HBM แต่ก็เป็นอีกเรื่องหนึ่งเมื่อมีการรวมตรรกะไว้ด้วย ชิปลอจิกสร้างความร้อน และยิ่งตรรกะหนาแน่นขึ้นและยิ่งใช้องค์ประกอบการประมวลผลสูงเท่าไร ความร้อนก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ซึ่งทำให้การซ้อนลอจิกเกิดขึ้นได้ยาก ซึ่งอธิบายความนิยมของ BGA แบบฟลิปชิป 2.5D และการออกแบบแบบกระจายออก

 

 

01 เลือกแพ็คเกจที่เหมาะสม

สำหรับนักออกแบบชิป มีตัวเลือกบรรจุภัณฑ์มากมาย แต่ประสิทธิภาพของการรวมชิปเป็นสิ่งสำคัญ ส่วนประกอบต่างๆ เช่น ซิลิคอน TSV เสาทองแดง ฯลฯ ล้วนมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (TCE) ที่แตกต่างกัน ซึ่งส่งผลต่อผลผลิตในการประกอบและความน่าเชื่อถือในระยะยาว

หากคุณเปิดและปิดด้วยความถี่ที่สูงกว่า คุณอาจประสบปัญหาการหมุนเวียนของความร้อน แผงวงจรพิมพ์ ลูกบอลบัดกรี และซิลิคอนต่างก็ขยายตัวและหดตัวในอัตราที่ต่างกัน ดังนั้นจึงเป็นเรื่องปกติที่จะเห็นความล้มเหลวของวงจรความร้อนที่มุมของบรรจุภัณฑ์ ซึ่งลูกบัดกรีอาจแตกร้าว ดังนั้นอาจมีการต่อสายดินเพิ่มเติมหรือแหล่งจ่ายไฟเพิ่มเติม

แพ็คเกจ BGA ฟลิปชิปยอดนิยมในปัจจุบันพร้อม CPU และ HBM มีพื้นที่ประมาณ 2,500 ตารางมิลลิเมตร “เราเห็นชิปขนาดใหญ่หนึ่งตัวที่อาจกลายเป็นชิปขนาดเล็กสี่หรือห้าตัว” Mike McIntyre ผู้อำนวยการฝ่ายการจัดการผลิตภัณฑ์ซอฟต์แวร์ของ Onto Innovation กล่าว “ดังนั้นคุณต้องมี I/O มากขึ้นเพื่อให้ชิปเหล่านั้นสื่อสารกันได้ ดังนั้นคุณจึงสามารถจัดสรรความร้อนได้

ท้ายที่สุดแล้ว การระบายความร้อนเป็นปัญหาที่สามารถจัดการได้ในระดับระบบ และมาพร้อมกับข้อเสียหลายอย่าง

ในความเป็นจริง อุปกรณ์บางอย่างมีความซับซ้อนมากจนเป็นการยากที่จะเปลี่ยนส่วนประกอบได้อย่างง่ายดายเพื่อปรับแต่งอุปกรณ์เหล่านี้ให้เหมาะกับการใช้งานเฉพาะด้าน นี่คือเหตุผลว่าทำไมผลิตภัณฑ์บรรจุภัณฑ์ขั้นสูงจำนวนมากจึงถูกนำมาใช้กับส่วนประกอบที่มีปริมาณมากหรือมีความยืดหยุ่นด้านราคา เช่น ชิปเซิร์ฟเวอร์

02 ความคืบหน้าในการจำลองและการทดสอบโมดูลชิป

อย่างไรก็ตาม วิศวกรกำลังมองหาวิธีใหม่ในการทำการวิเคราะห์เชิงความร้อนของความน่าเชื่อถือของบรรจุภัณฑ์ ก่อนที่จะผลิตโมดูลที่บรรจุแล้ว ตัวอย่างเช่น Siemens นำเสนอตัวอย่างของโมดูลแบบ dual-ASIC ที่ติดตั้ง fan-out redistribution layer (RDL) บนพื้นผิวอินทรีย์หลายชั้นในแพ็คเกจ BGA ใช้สองรุ่น รุ่นหนึ่งสำหรับ WLP ที่ใช้ RDL และอีกรุ่นสำหรับ BGA บนพื้นผิวอินทรีย์หลายชั้น โมเดลบรรจุภัณฑ์เหล่านี้เป็นแบบพาราเมตริก รวมถึงสแต็กชั้นของวัสดุพิมพ์และ BGA ก่อนที่จะมีการแนะนำข้อมูล EDA และทำให้สามารถประเมินวัสดุล่วงหน้าและการเลือกตำแหน่งแม่พิมพ์ได้ ถัดไป ข้อมูล EDA จะถูกนำเข้า และสำหรับแต่ละรุ่น แผนที่วัสดุจะให้คำอธิบายทางความร้อนโดยละเอียดของการกระจายตัวของทองแดงในทุกชั้น การจำลองการกระจายความร้อนขั้นสุดท้าย (ดูรูปที่ 2) พิจารณาวัสดุทั้งหมดยกเว้นฝาโลหะ TIM และวัสดุเติมด้านล่าง

 

  Eric Ouyang ผู้อำนวยการฝ่ายการตลาดด้านเทคนิคของ JCET เข้าร่วมกับวิศวกรของ JCET และ Meta เพื่อเปรียบเทียบประสิทธิภาพการระบายความร้อนของชิปเสาหิน โมดูลหลายชิป อินเตอร์โพเซอร์ 2.5D และชิปสแต็ก 3D ด้วย ASIC หนึ่งตัวและ SRAM สองตัว กระบวนการเปรียบเทียบจะรักษาสภาพแวดล้อมของเซิร์ฟเวอร์ แผงระบายความร้อนพร้อมห้องสุญญากาศ และค่า TIM คงที่ ระบบระบายความร้อน 2.5D และ MCM ทำงานได้ดีกว่าชิป 3D หรือชิปเสาหิน Ouyang และเพื่อนร่วมงานที่ JCET ได้ออกแบบเมทริกซ์ตัวต้านทานและไดอะแกรมซองจดหมายพลังงาน (ดูรูปที่ 3) ที่สามารถใช้ในการออกแบบโมดูลในช่วงต้นเพื่อกำหนดระดับพลังงานอินพุตของชิปต่างๆ และตั้งค่าจุดเชื่อมต่อก่อนการจำลองความร้อนที่ใช้เวลานาน สามารถรวมอุณหภูมิได้อย่างน่าเชื่อถือหรือไม่ ดังที่แสดงในภาพ โซนปลอดภัยจะเน้นช่วงพลังงานบนชิปแต่ละตัวที่ตรงตามมาตรฐานความน่าเชื่อถือ

Ouyang อธิบายว่าในระหว่างขั้นตอนการออกแบบ นักออกแบบวงจรอาจมีความคิดเกี่ยวกับระดับพลังงานของชิปต่างๆ ที่วางอยู่ในโมดูล แต่อาจไม่ทราบว่าระดับพลังงานเหล่านั้นอยู่ภายในขีดจำกัดความน่าเชื่อถือหรือไม่ แผนภาพนี้กำหนดพื้นที่พลังงานที่ปลอดภัยสำหรับชิปสูงสุดสามตัวในโมดูลชิปเล็ต ทีมงานได้พัฒนาเครื่องคำนวณกำลังอัตโนมัติสำหรับชิปเพิ่มเติม

 

03 หาปริมาณความต้านทานความร้อน

เราสามารถเข้าใจวิธีการนำความร้อนผ่านชิปซิลิคอน แผงวงจร กาว TIM หรือฝาบรรจุภัณฑ์ และใช้วิธีการมาตรฐานสำหรับความแตกต่างของอุณหภูมิและฟังก์ชันพลังงานเพื่อติดตามค่าอุณหภูมิและความต้านทาน

"เส้นทางความร้อนถูกวัดปริมาณด้วยค่าสำคัญสามค่า ได้แก่ ความต้านทานความร้อนจากจุดเชื่อมต่อของอุปกรณ์ไปยังสภาพแวดล้อม ความต้านทานความร้อนจากจุดเชื่อมต่อไปยังเคส [ด้านบนของบรรจุภัณฑ์] และความต้านทานความร้อนจากจุดเชื่อมต่อไปยัง แผงวงจร” Ouyang จาก JCET กล่าว ต้านทานความร้อน เขาตั้งข้อสังเกตว่าอย่างน้อยที่สุด ลูกค้าของ JCET ต้องการ θja, θjc และ θjb ซึ่งพวกเขาจะใช้ในการออกแบบระบบ พวกเขาอาจต้องการให้ความต้านทานความร้อนที่กำหนดไม่เกินค่าเฉพาะและกำหนดให้การออกแบบบรรจุภัณฑ์ต้องมีประสิทธิภาพดังกล่าว (ดูรายละเอียดใน JESD51-12 ของ JEDEC สำหรับการรายงานและการใช้ข้อมูลความร้อนของบรรจุภัณฑ์)

 

  การจำลองความร้อนเป็นวิธีที่ประหยัดที่สุดในการสำรวจการเลือกและการจับคู่วัสดุ โดยการจำลองชิปในสภาพการทำงาน เรามักจะพบจุดร้อนอย่างน้อยหนึ่งจุด ดังนั้นเราจึงสามารถเพิ่มทองแดงลงในวัสดุฐานด้านล่างจุดร้อนเพื่ออำนวยความสะดวกในการกระจายความร้อน หรือเปลี่ยนวัสดุบรรจุภัณฑ์และเพิ่มแผ่นระบายความร้อน ผู้ประกอบระบบอาจระบุว่าความต้านทานความร้อน θja, θjc และ θjb ต้องไม่เกินค่าที่กำหนด โดยปกติอุณหภูมิของหัวต่อซิลิคอนควรอยู่ที่ต่ำกว่า 125 องศา

หลังจากการจำลองเสร็จสิ้น โรงงานบรรจุภัณฑ์จะดำเนินการออกแบบการทดลอง (DOE) เพื่อให้ได้โซลูชันการบรรจุขั้นสุดท้าย

04 เลือก ทิม

ในบรรจุภัณฑ์ ความร้อนมากกว่า 90% จะถูกกระจายผ่านบรรจุภัณฑ์จากด้านบนของชิปไปยังแผงระบายความร้อน ซึ่งโดยทั่วไปแล้วครีบแนวตั้งที่ทำจากอะลูมิเนียมชุบผิว วัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อน (TIM) ที่มีค่าการนำความร้อนสูงจะถูกวางไว้ระหว่างชิปและบรรจุภัณฑ์เพื่อช่วยถ่ายเทความร้อน TIM ยุคถัดไปสำหรับ CPU ประกอบด้วยโลหะผสมแผ่น เช่น อินเดียมและดีบุก รวมถึงดีบุกเผาผนึกเงิน โดยมีค่าการนำไฟฟ้า 60W/mK และ 50W/mK ตามลำดับ

ในขณะที่ผู้ผลิตเปลี่ยน SoC ไปใช้กระบวนการชิปเล็ต จำเป็นต้องมี TIM ที่มีคุณสมบัติและความหนาต่างกันมากขึ้น

YoungDo Kweon ผู้อำนวยการอาวุโสฝ่ายวิจัยและพัฒนาของ Amkor กล่าวว่าสำหรับระบบที่มีความหนาแน่นสูง ความต้านทานความร้อนของ TIM ระหว่างชิปและบรรจุภัณฑ์มีผลกระทบมากขึ้นต่อความต้านทานความร้อนโดยรวมของโมดูลบรรจุภัณฑ์ แนวโน้มพลังงานกำลังเพิ่มขึ้นอย่างมาก โดยเฉพาะในด้านลอจิก ดังนั้นเราจึงมุ่งเน้นไปที่การรักษาอุณหภูมิของจุดเชื่อมต่อให้ต่ำเพื่อให้มั่นใจถึงการทำงานของเซมิคอนดักเตอร์ที่เชื่อถือได้ แม้ว่าซัพพลายเออร์ของ TIM จะให้ค่าความต้านทานความร้อนสำหรับวัสดุของพวกเขา แต่ในความเป็นจริงแล้ว ความต้านทานความร้อนจากชิปถึงบรรจุภัณฑ์ (θjc) จะได้รับผลกระทบจากกระบวนการประกอบเอง รวมถึงคุณภาพการยึดเกาะและพื้นที่สัมผัสระหว่างชิปและ TIM เขาตั้งข้อสังเกตว่าการทดสอบด้วยเครื่องมือประกอบจริงและวัสดุประสานในสภาพแวดล้อมที่มีการควบคุมมีความสำคัญอย่างยิ่งในการทำความเข้าใจประสิทธิภาพการระบายความร้อนที่แท้จริงและการเลือก TIM ที่ดีที่สุดสำหรับคุณสมบัติของลูกค้า

ช่องว่างเป็นปัญหาเฉพาะ Parry ของ Siemens กล่าวว่า "การใช้วัสดุในบรรจุภัณฑ์ถือเป็นความท้าทายครั้งใหญ่ เรารู้อยู่แล้วว่าคุณสมบัติของวัสดุของกาวหรือกาว และวิธีที่วัสดุทำให้พื้นผิวเปียก จะส่งผลต่อความต้านทานความร้อนโดยรวมที่แสดงโดยวัสดุ นั่นคือความต้านทานการสัมผัส ส่วนมากขึ้นอยู่กับวิธีที่วัสดุไหลลงสู่พื้นผิวโดยไม่สร้างความไม่สมบูรณ์ซึ่งสร้างความต้านทานต่อการไหลของความร้อนเพิ่มเติม"

 

05 การจัดการกับปัญหาความร้อนแตกต่างออกไป

ผู้ผลิตชิปกำลังมองหาวิธีแก้ปัญหาการกระจายความร้อน Randy White ผู้จัดการโปรแกรมโซลูชันหน่วยความจำของ Keysight Technologies กล่าวว่า "วิธีการบรรจุภัณฑ์ยังคงเหมือนเดิม หากคุณลดขนาดชิปลงหนึ่งในสี่ก็จะเร็วขึ้น อาจมีความแตกต่างด้านความสมบูรณ์ของสัญญาณอยู่บ้าง เนื่องจากคีย์แพ็คเกจภายนอก ลวดเชื่อมจะเข้าไปในชิป และยิ่งลวดยาวเท่าไรก็ยิ่งมีความเหนี่ยวนำมากขึ้นเท่านั้น ดังนั้นจึงมีส่วนประสิทธิภาพทางไฟฟ้า ดังนั้น คุณจะกระจายพลังงานจำนวนมากในพื้นที่ขนาดเล็กเพียงพอได้อย่างไร นั่นเป็นอีกพารามิเตอร์สำคัญที่ต้องศึกษา ”

สิ่งนี้ได้นำไปสู่การลงทุนที่สำคัญในการวิจัยพันธะที่ล้ำสมัย ซึ่งดูเหมือนว่าจะมุ่งเน้นไปที่พันธะลูกผสม แต่การเชื่อมแบบไฮบริดมีราคาแพงและยังคงจำกัดอยู่เฉพาะแอปพลิเคชันประเภทโปรเซสเซอร์ประสิทธิภาพสูง โดยปัจจุบัน TSMC เป็นหนึ่งในบริษัทเดียวที่นำเสนอเทคโนโลยีนี้ อย่างไรก็ตาม โอกาสในการรวมโฟตอนบนชิป CMOS หรือแกลเลียมไนไตรด์บนซิลิคอนมีแนวโน้มที่ดี

06 บทสรุป

แนวคิดเริ่มแรกสำหรับบรรจุภัณฑ์ขั้นสูงคือ มันจะทำงานเหมือนกับตัวต่อเลโก้ โดยชิปที่พัฒนาขึ้นที่โหนดกระบวนการต่างๆ สามารถประกอบเข้าด้วยกันได้ และปัญหาด้านความร้อนจะลดลง แต่สิ่งนี้มีค่าใช้จ่าย จากมุมมองของประสิทธิภาพและกำลัง ระยะทางที่สัญญาณต้องเคลื่อนที่เป็นสิ่งสำคัญ และวงจรที่เปิดตลอดเวลาหรือจำเป็นต้องเปิดบางส่วนไว้ อาจส่งผลต่อประสิทธิภาพการระบายความร้อนได้ การแบ่งชิปออกเป็นหลายส่วนเพื่อเพิ่มผลผลิตและความยืดหยุ่นนั้นไม่ง่ายอย่างที่คิด การเชื่อมต่อทุกจุดในแพ็คเกจจะต้องได้รับการปรับให้เหมาะสม และฮอตสปอตไม่ได้จำกัดอยู่เพียงชิปตัวเดียวอีกต่อไป

เครื่องมือสร้างแบบจำลองในช่วงแรกๆ สามารถใช้เพื่อแยกแยะชิปที่แตกต่างกันออกไป ซึ่งช่วยให้ผู้ออกแบบโมดูลที่ซับซ้อนได้รับการส่งเสริมอย่างมาก ในยุคที่ความหนาแน่นของพลังงานเพิ่มมากขึ้น การจำลองความร้อนและการแนะนำ TIM ใหม่จะยังคงมีความสำคัญ