كيفية حل المشاكل الحرارية لتغليف الرقائق

  تولد الرقائق المنطقية الحرارة، وكلما زادت كثافة المنطق وكلما زاد الاستفادة من عناصر المعالجة، زادت الحرارة. ...
يبحث المهندسون عن طرق لتبديد الحرارة بكفاءة من الوحدات المعقدة.

يمكن أن يؤدي وضع شرائح متعددة جنبًا إلى جنب في نفس الحزمة إلى تخفيف المشكلات الحرارية، ولكن مع تعمق الشركات أكثر في تكديس الرقائق والتعبئة الأكثر كثافة لزيادة الأداء وتقليل الطاقة، فإنها تواجه مجموعة جديدة من المشكلات المتعلقة بالحرارة.

لا يمكن لرقائق التغليف المتقدمة أن تلبي احتياجات الحوسبة عالية الأداء والذكاء الاصطناعي ونمو كثافة الطاقة وما إلى ذلك فحسب، بل أصبحت مشكلات تبديد الحرارة الخاصة بالتعبئة المتقدمة معقدة أيضًا. لأن النقاط الساخنة على شريحة واحدة ستؤثر على توزيع الحرارة للرقائق المجاورة. تكون سرعة الاتصال البيني بين الرقائق أيضًا أبطأ في الوحدات مقارنة بـ SoCs.

وقال جون باري، رئيس قسم الإلكترونيات وأشباه الموصلات في الشركة: "قبل أن يدخل العالم في أشياء مثل النواة المتعددة، كنا نتعامل مع شريحة تبلغ طاقتها القصوى حوالي 150 واط لكل سنتيمتر مربع، والتي كانت بمثابة مصدر حرارة أحادي النقطة". سيمنز برامج الصناعات الرقمية. يمكنك تبديد الحرارة في جميع الاتجاهات الثلاثة، حتى تتمكن من تحقيق بعض كثافات الطاقة العالية جدًا. ولكن عندما يكون لديك شريحة وتضع شريحة أخرى بجانبها، ثم تضع شريحة أخرى بجانبها، فإنها "تسخن بعضها البعض. وهذا يعني أنك لا تستطيع تحمل نفس مستوى الطاقة لكل شريحة، مما يجعل الحرارة التحدي أصعب بكثير."

يعد هذا أحد الأسباب الرئيسية للتقدم البطيء لتكديس 3D-IC في السوق. في حين أن المفهوم منطقي من منظور كفاءة الطاقة والتكامل – ويعمل بشكل جيد في 3D NAND وHBM – إلا أنها قصة مختلفة عندما يتم تضمين المنطق. تولد الرقائق المنطقية الحرارة، وكلما زادت كثافة المنطق وكلما زاد استخدام عناصر المعالجة، زادت الحرارة. وهذا يجعل التكديس المنطقي نادرًا، وهو ما يفسر شعبية تصميمات BGA ذات الرقاقة الوجهية 2.5D والتصميمات المروحية

 

 

01 اختر الباقة المناسبة

بالنسبة لمصممي الرقائق، هناك العديد من خيارات التغليف. لكن أداء تكامل الرقائق أمر بالغ الأهمية. تتمتع المكونات مثل السيليكون، وTSV، والأعمدة النحاسية، وما إلى ذلك، بمعاملات تمدد حرارية مختلفة (TCE)، مما يؤثر على إنتاجية التجميع والموثوقية على المدى الطويل.

إذا قمت بالفتح والإغلاق بتردد أعلى، فقد تواجه مشكلات في التدوير الحراري. تتوسع كل من لوحة الدوائر المطبوعة وكرات اللحام والسيليكون وتنكمش بمعدلات مختلفة. لذلك، من الطبيعي رؤية فشل التدوير الحراري في زوايا العبوة، حيث قد تتشقق كرات اللحام. لذلك يمكن للمرء وضع سلك أرضي إضافي هناك أو مصدر طاقة إضافي.

تبلغ مساحة حزمة BGA ذات الرقاقة المشهورة حاليًا والمزودة بوحدة المعالجة المركزية وHBM حوالي 2500 ملم مربع. وقال مايك ماكنتاير، مدير إدارة منتجات البرمجيات في شركة Onto Innovation: "إننا نشهد أن شريحة واحدة كبيرة من المحتمل أن تصبح أربع أو خمس شرائح صغيرة". "لذلك يجب أن يكون لديك المزيد من عمليات الإدخال/الإخراج للسماح لهذه الرقائق بالتحدث مع بعضها البعض. حتى تتمكن من تخصيص الحرارة.

في النهاية، يعد التبريد مشكلة يمكن التعامل معها على مستوى النظام، ويأتي مع سلسلة من المقايضات.

في الواقع، بعض الأجهزة معقدة للغاية بحيث يصعب استبدال المكونات بسهولة من أجل تخصيص هذه الأجهزة لمجال تطبيق معين. ولهذا السبب يتم استخدام العديد من منتجات التغليف المتقدمة لمكونات كبيرة الحجم أو ذات أسعار مرنة، مثل شرائح الخادم.

02 التقدم في محاكاة واختبار وحدة الرقاقة

ومع ذلك، يبحث المهندسون عن طرق جديدة لإجراء التحليل الحراري لموثوقية الحزمة قبل تصنيع الوحدات المعبأة. على سبيل المثال، توفر شركة Siemens مثالاً على وحدة نمطية تعتمد على ASIC مزدوجة والتي تقوم بتركيب طبقة إعادة توزيع مروحية (RDL) على ركيزة عضوية متعددة الطبقات في حزمة BGA. ويستخدم نموذجين، أحدهما لـ WLP المستند إلى RDL والآخر لـ BGA على ركائز عضوية متعددة الطبقات. تعد نماذج الحزم هذه حدودية، بما في ذلك مكدس طبقة الركيزة وBGA قبل تقديم معلومات EDA، وتمكين التقييم المبكر للمواد واختيار موضع القالب. بعد ذلك، تم استيراد بيانات EDA، وقدمت خرائط المواد لكل نموذج وصفًا حراريًا مفصلاً لتوزيع النحاس في جميع الطبقات. المحاكاة النهائية لتبديد الحرارة (انظر الشكل 2) أخذت في الاعتبار جميع المواد باستثناء الغطاء المعدني، وTIM، ومواد الملء.

 

  انضم إريك أويانغ، مدير التسويق الفني في JCET إلى مهندسي JCET وMeta لمقارنة الأداء الحراري للرقائق المتجانسة والوحدات متعددة الرقائق والوسطاء 2.5D والرقائق المكدسة ثلاثية الأبعاد مع ASIC واحد واثنين من SRAMs. تحافظ عملية المقارنة على بيئة الخادم والمشتت الحراري المزود بغرفة مفرغة وثبات TIM. من الناحية الحرارية، يعمل 2.5D وMCM بشكل أفضل من الرقائق ثلاثية الأبعاد أو المتجانسة. صمم أويانغ وزملاؤه في JCET مصفوفة مقاوم ومخطط غلاف الطاقة (انظر الشكل 3) يمكن استخدامه في تصميم الوحدة المبكرة لتحديد مستويات طاقة الإدخال للرقائق المختلفة وتعيين الوصلات قبل عمليات المحاكاة الحرارية التي تستغرق وقتًا طويلاً. ما إذا كان يمكن الجمع بين درجة الحرارة بشكل موثوق. كما هو موضح في الشكل، تسلط المنطقة الآمنة الضوء على نطاق الطاقة في كل شريحة يلبي معايير الموثوقية.

وأوضح أويانغ أنه خلال عملية التصميم، قد يكون لدى مصممي الدوائر فكرة عن مستويات الطاقة لمختلف الرقائق الموضوعة في الوحدة، لكنهم قد لا يعرفون ما إذا كانت مستويات الطاقة هذه ضمن حدود الموثوقية. يحدد هذا الرسم البياني منطقة الطاقة الآمنة لما يصل إلى ثلاث شرائح في وحدة الشرائح الصغيرة. قام الفريق بتطوير حاسبة طاقة أوتوماتيكية لمزيد من الرقائق.

 

03 قياس المقاومة الحرارية

يمكننا أن نفهم كيفية توصيل الحرارة من خلال شريحة السيليكون، أو لوحة الدائرة، أو الغراء، أو TIM، أو غطاء العبوة، واستخدام الطرق القياسية لاختلاف درجة الحرارة ووظيفة الطاقة لتتبع قيم درجة الحرارة والمقاومة.

"يتم قياس المسار الحراري بثلاث قيم رئيسية - المقاومة الحرارية من تقاطع الجهاز إلى البيئة، والمقاومة الحرارية من الوصلة إلى العلبة [أعلى العبوة]، والمقاومة الحرارية من الوصلة إلى العلبة قال أويانغ من JCET: "لوحة الدائرة". المقاومة الحرارية. وأشار إلى أن عملاء JCET، كحد أدنى، يحتاجون إلى θja، وθjc، وθjb، والتي يستخدمونها بعد ذلك في تصميم النظام. وقد تتطلب ألا تتجاوز المقاومة الحرارية المعطاة قيمة محددة وتتطلب أن يوفر تصميم العبوة هذا الأداء. (راجع JEDEC's JESD51-12، إرشادات لإعداد التقارير واستخدام المعلومات الحرارية للحزمة للحصول على التفاصيل).

 

  المحاكاة الحرارية هي الطريقة الأكثر اقتصادا لاستكشاف اختيار المواد ومطابقتها. من خلال محاكاة الشريحة في حالة صالحة للعمل، عادة ما نجد نقطة ساخنة واحدة أو أكثر، حتى نتمكن من إضافة النحاس إلى المادة الأساسية أسفل النقاط الساخنة لتسهيل تبديد الحرارة؛ أو قم بتغيير مادة التغليف وإضافة المشتت الحراري. قد يحدد مُتكامل النظام أن المقاومات الحرارية θja، وθjc، وθjb يجب ألا تتجاوز قيمًا معينة. عادة، يجب أن تبقى درجة حرارة تقاطع السيليكون أقل من 125 درجة.

بعد اكتمال المحاكاة، يقوم مصنع التغليف بإجراء تصميم التجارب (DOE) للوصول إلى حل التغليف النهائي.

04 اختر تيم

في العبوة، يتم تبديد أكثر من 90% من الحرارة من خلال العبوة من الجزء العلوي للرقاقة إلى المشتت الحراري، والذي عادة ما يكون عبارة عن زعانف عمودية مصنوعة من الألومنيوم المؤكسد. يتم وضع مادة واجهة حرارية (TIM) ذات موصلية حرارية عالية بين الشريحة والحزمة للمساعدة في نقل الحرارة. يتضمن الجيل التالي من TIMs لوحدات المعالجة المركزية سبائك الصفائح المعدنية مثل الإنديوم والقصدير، بالإضافة إلى القصدير الملبد بالفضة، مع موصلية 60W/mK و50W/mK على التوالي.

مع قيام الشركات المصنعة بتحويل SoCs إلى عمليات الشرائح، هناك حاجة إلى المزيد من TIMs بخصائص وسمك مختلف.

وقال يونج دو كوون، كبير مديري البحث والتطوير في شركة Amkor، إنه بالنسبة للأنظمة عالية الكثافة، فإن المقاومة الحرارية لـ TIM بين الشريحة والحزمة لها تأثير أكبر على المقاومة الحرارية الإجمالية للوحدة المعبأة. تتزايد اتجاهات الطاقة بشكل كبير، خاصة بالنسبة للمنطق، لذلك نحن نركز على الحفاظ على درجات حرارة الوصلات منخفضة لضمان تشغيل أشباه الموصلات بشكل موثوق. على الرغم من أن موردي TIM يقدمون قيم المقاومة الحرارية لموادهم، إلا أنه في الواقع، تتأثر المقاومة الحرارية من الشريحة إلى العبوة (θjc) بعملية التجميع نفسها، بما في ذلك جودة الترابط ومنطقة الاتصال بين الشريحة وTIM. وأشار إلى أن الاختبار باستخدام أدوات التجميع الفعلية ومواد الربط في بيئة خاضعة للرقابة يعد أمرًا بالغ الأهمية لفهم الأداء الحراري الفعلي واختيار أفضل TIM لتأهيل العملاء.

الفجوات هي مشكلة خاصة. وقال باري من شركة سيمنز: "يمثل استخدام المواد في التعبئة والتغليف تحديًا كبيرًا. ونحن نعلم بالفعل أن خصائص المادة اللاصقة أو الغراء، والطريقة التي تبلل بها المادة السطح، ستؤثر على المقاومة الحرارية الإجمالية التي تقدمها المادة، أي أن مقاومة التلامس تعتمد كثيرًا على كيفية تدفق المادة إلى السطح دون خلق عيوب تخلق مقاومة إضافية لتدفق الحرارة.

 

05 التعامل مع مشاكل الحرارة بشكل مختلف

يبحث صانعو الرقائق عن طرق لحل مشكلة تبديد الحرارة. وقال راندي وايت، مدير برنامج حلول الذاكرة في شركة Keysight Technologies: "طريقة التغليف تظل كما هي، إذا قمت بتقليل حجم الشريحة بمقدار الربع، فسوف تتسارع. قد تكون هناك بعض الاختلافات في سلامة الإشارة. بسبب مفاتيح الحزمة الخارجية يدخل سلك الربط إلى الشريحة، وكلما زاد طول السلك، زادت الحث، لذلك هناك جزء الأداء الكهربائي. لذا، كيف يمكنك تبديد الكثير من الطاقة في مساحة صغيرة بما يكفي؟ هذه معلمة رئيسية أخرى تحتاج إلى الدراسة ".

وقد أدى هذا إلى استثمار كبير في أبحاث الروابط المتطورة، مع التركيز على ما يبدو على الروابط الهجينة. لكن الترابط الهجين مكلف ويظل مقتصرًا على التطبيقات عالية الأداء من نوع المعالج، وتعد شركة TSMC حاليًا واحدة من الشركات الوحيدة التي تقدم هذه التقنية. ومع ذلك، فإن احتمالات دمج الفوتونات على رقائق CMOS أو نيتريد الغاليوم على السيليكون واعدة.

06 الاستنتاج

الفكرة الأولية للتغليف المتقدم هي أنها ستعمل مثل طوب الليغو - حيث يمكن تجميع الرقائق التي تم تطويرها في عقد عملية مختلفة معًا وسيتم تخفيف المشكلات الحرارية. ولكن هذا يأتي بتكلفة. من منظور الأداء والطاقة، تعد المسافة التي تحتاج الإشارة إلى قطعها أمرًا مهمًا، والدوائر التي تكون قيد التشغيل دائمًا، أو التي تحتاج إلى البقاء مفتوحة جزئيًا، يمكن أن تؤثر على الأداء الحراري. إن تقسيم الشريحة إلى أجزاء متعددة لزيادة الإنتاجية والمرونة ليس بالأمر السهل كما يبدو. ويجب تحسين كل اتصال بيني في الحزمة، ولم تعد نقاط الاتصال مقتصرة على شريحة واحدة.

يمكن استخدام أدوات النمذجة المبكرة لاستبعاد مجموعات مختلفة من الرقائق، مما يمنح مصممي الوحدات المعقدة دفعة كبيرة. في هذا العصر الذي يتسم بكثافة الطاقة المتزايدة باستمرار، ستظل المحاكاة الحرارية وإدخال أجهزة TIM جديدة ضرورية.