كيفية حل المشكلة الحرارية لتغليف الرقائق
لا تلبي رقائق التغليف المتقدمة احتياجات الحوسبة عالية الأداء والذكاء الاصطناعي ونمو كثافة الطاقة وما إلى ذلك فحسب، بل تعمل أيضًا على تعقيد مشكلات تبديد الحرارة الخاصة بالتعبئة المتقدمة. لأن النقطة الساخنة على الشريحة يمكن أن تؤثر على توزيع الحرارة للرقائق المجاورة. تكون سرعة الاتصال البيني بين الرقائق أيضًا أبطأ في الوحدات مقارنة بـ SoC.
يبحث المهندسون عن طرق فعالة لتبديد الحرارة من الوحدات المعقدة. يمكن أن يؤدي وضع شرائح متعددة جنبًا إلى جنب في نفس الحزمة إلى تخفيف المشكلات الحرارية، ولكن مع تعمق الشركة بشكل أكبر في تكديس الرقائق والتعبئة الأكثر كثافة لتحسين الأداء وتقليل الطاقة، فإنها تواجه سلسلة من المشكلات الجديدة المتعلقة بالحرارة.
تبلغ مساحة التعبئة والتغليف الشهيرة الحالية لـ BGA المزودة بوحدة المعالجة المركزية وHBM حوالي 2500 ملليمتر مربع. نرى أن الشريحة الكبيرة قد تصبح أربع أو خمس شرائح صغيرة. لذلك من الضروري أن يكون لديك المزيد من عمليات الإدخال/الإخراج حتى تتمكن هذه الرقائق من التواصل مع بعضها البعض. حتى تتمكن من توزيع الحرارة. في الواقع، بعض الأجهزة معقدة للغاية بحيث يصعب استبدال المكونات بسهولة من أجل تخصيص هذه الأجهزة لتطبيقات ميدانية محددة. ولهذا السبب يتم استخدام العديد من منتجات التغليف المتقدمة للمكونات ذات الكميات الكبيرة جدًا أو مرونة الأسعار، مثل شرائح الخادم.
أثناء عملية التصميم، قد يكون لدى مصممي الدوائر مفهوم لمستويات الطاقة لمختلف الرقائق الموضوعة في الوحدة، ولكن قد لا يعرفون ما إذا كانت مستويات الطاقة هذه ضمن نطاق الموثوقية. ولذلك، يبحث المهندسون عن طرق جديدة لإجراء التحليل الحراري لموثوقية التغليف قبل تصنيع وحدات التغليف. من خلال المحاكاة الحرارية، يمكننا أن نفهم كيفية توصيل الحرارة من خلال رقائق السيليكون، أو لوحات الدوائر، أو المواد اللاصقة، أو TIMs، أو أغطية التغليف، مع استخدام الطرق القياسية مثل فرق درجة الحرارة ووظيفة الطاقة لتتبع قيم درجة الحرارة والمقاومة.
المحاكاة الحرارية هي الطريقة الأكثر اقتصادا لاستكشاف اختيار المواد ومطابقتها. من خلال محاكاة الرقائق في حالة عملها، نكتشف عادةً نقطة ساخنة واحدة أو أكثر، حتى نتمكن من إضافة النحاس إلى الركيزة الموجودة أسفل النقاط الساخنة لتسهيل تبديد الحرارة؛ أو قم بتغيير مادة التغليف وأضف المشتت الحراري.
في التغليف، يتم تبديد أكثر من 90% من الحرارة من الجزء العلوي للرقاقة إلى المشتت الحراري من خلال العبوة، وعادة ما تكون زعنفة رأسية تعتمد على أكسيد الألومنيوم المؤكسد. يتم وضع مادة واجهة حرارية (TIM) ذات موصلية حرارية عالية بين الشريحة والعبوة للمساعدة في نقل الحرارة. يشتمل الجيل التالي من TIM لوحدات المعالجة المركزية على سبائك الصفائح المعدنية (مثل الإنديوم والقصدير)، بالإضافة إلى القصدير الملبد بالفضة، مع موصلية 60W/mK و50W/mK، على التوالي.
المفهوم الأولي للتعبئة المتقدمة هو أنها ستعمل مثل مكعبات بناء LEGO - حيث يمكن تجميع الرقائق التي تم تطويرها في عقد معالجة مختلفة معًا، وسيتم تخفيف المشكلات الحرارية. ولكن هذا يأتي بتكلفة. من منظور الأداء والطاقة، تعد المسافة التي تحتاج الإشارة إلى الانتشار أمرًا بالغ الأهمية، وتظل الدائرة مفتوحة دائمًا أو يجب أن تكون مفتوحة جزئيًا، مما قد يؤثر على الأداء الحراري. إن تقسيم الرقائق إلى أجزاء متعددة لزيادة الإنتاج والمرونة ليس بالأمر السهل كما قد يبدو. ويجب تحسين كل وصلة بينية في العبوة، ولم تعد نقاط الاتصال مقتصرة على شريحة واحدة.
يمكن استخدام أدوات النمذجة المبكرة لاستبعاد مجموعات مختلفة من الرقائق، مما يوفر قوة دافعة كبيرة لمصممي الوحدات المعقدة. وفي هذا العصر الذي يتسم بكثافة الطاقة المتزايدة باستمرار، ستظل المحاكاة الحرارية وإدخال أجهزة TIM جديدة أمرًا ضروريًا.
