כיצד לפתור את הבעיות התרמיות של אריזת שבבים

  שבבי הגיון מייצרים חום, וככל שההיגיון צפוף יותר וככל שהניצול של אלמנטי העיבוד גבוה יותר, כך החום גדול יותר. ...
מהנדסים מחפשים דרכים לפיזור יעיל של חום ממודולים מורכבים.

הצבת שבבים מרובים זה לצד זה באותה חבילה יכולה להקל על בעיות תרמיות, אבל ככל שחברות מתעמקות בערימת שבבים ובאריזה צפופה יותר כדי להגביר את הביצועים ולהפחית את הספק, הן נאבקות בקבוצה חדשה של בעיות הקשורות לחום.

שבבי אריזה מתקדמים יכולים לא רק לענות על הצרכים של מחשוב בעל ביצועים גבוהים, בינה מלאכותית, צמיחת צפיפות הספק וכו', אלא שגם בעיות פיזור החום של אריזה מתקדמות הפכו למורכבות. מכיוון שנקודות חמות בשבב אחד ישפיעו על פיזור החום של שבבים סמוכים. גם מהירות החיבור בין שבבים איטית יותר במודולים מאשר ב-SoCs.

"לפני שהעולם נכנס לדברים כמו ריבוי ליבות, התמודדת עם שבב בעל הספק מרבי של כ-150 וואט לסנטימטר רבוע, שהיה מקור חום יחיד נקודתי", אמר ג'ון פארי, ראש תחום אלקטרוניקה ומוליכים למחצה ב- תוכנת סימנס Digital Industries. אתה יכול לפזר חום לכל שלושת הכיוונים, כך שאתה יכול להשיג צפיפות הספק די גבוהה. אבל כאשר יש לך שבב ושם עוד שבב לידו, ואז שם עוד שבב לידו, הם "הם מחממים אחד את השני. זה אומר שאתה לא יכול לסבול את אותה רמת הספק עבור כל שבב, מה שהופך את התרמית אתגר הרבה יותר קשה".

זו אחת הסיבות העיקריות להתקדמות האיטית של ערימת 3D-IC בשוק. למרות שהרעיון הגיוני מנקודת מבט של יעילות צריכת חשמל ואינטגרציה - ועובד היטב ב-3D NAND ו-HBM - זה סיפור אחר כשההיגיון נכלל. שבבים לוגיים מייצרים חום, וככל שההיגיון צפוף יותר וככל שהניצול גבוה יותר של רכיבי העיבוד, כך החום גדול יותר. זה הופך את ערימת ההיגיון לנדירה, מה שמסביר את הפופולריות של עיצובי BGA ו-Flip-Chip 2.5D ו-fan-out

 

 

01 בחר את החבילה הנכונה

עבור מעצבי שבבים, ישנן אפשרויות אריזה רבות. אבל הביצועים של שילוב שבבים הם קריטיים. לרכיבים כמו סיליקון, TSVs, עמודי נחושת וכו' לכולם יש מקדמי התפשטות תרמיים שונים (TCE), המשפיעים על תפוקת ההרכבה ועל האמינות לטווח ארוך.

אם תפתח ונסגר בתדירות גבוהה יותר, אתה עלול להיתקל בבעיות רכיבה תרמית. המעגל המודפס, כדורי ההלחמה והסיליקון מתרחבים ומתכווצים בקצבים שונים. לכן, זה נורמלי לראות כשלים ברכיבה תרמית בפינות האריזה, שבהן כדורי ההלחמה עלולים להיסדק. אז אפשר לשים שם חוט הארקה נוסף או ספק כוח נוסף.

חבילת ה-Flip-Chip הפופולרית כיום עם CPU ו-HBM היא בשטח של כ-2500 מילימטרים רבועים. "אנחנו רואים שבב אחד גדול עשוי להפוך לארבעה או חמישה שבבים קטנים", אמר מייק מקינטייר, מנהל ניהול מוצרי תוכנה ב-Onto Innovation. "אז אתה צריך יותר קלט/פלט כדי לאפשר לשבבים האלה לדבר אחד עם השני. אז אתה יכול להקצות חום.

בסופו של דבר, קירור הוא נושא שניתן לטפל בו ברמת המערכת, והוא מגיע עם שורה של פשרות.

למעשה, חלק מהמכשירים מורכבים עד כדי כך שקשה להחליף בקלות רכיבים על מנת להתאים את המכשירים הללו לתחום יישום ספציפי. זו הסיבה שמוצרי אריזה מתקדמים רבים משמשים עבור רכיבים בעלי נפח גבוה מאוד או גמישות במחיר, כגון שבבי שרת.

02 התקדמות בסימולציה ובדיקה של מודול שבבים

עם זאת, מהנדסים מחפשים דרכים חדשות לבצע ניתוח תרמי של מהימנות החבילה לפני ייצור מודולים ארוזים. לדוגמה, סימנס מספקת דוגמה למודול מבוסס ASIC כפול שמתקין שכבת חלוקה מחדש של מניפה החוצה (RDL) על מצע אורגני רב-שכבתי בחבילת BGA. הוא משתמש בשני דגמים, האחד עבור WLP מבוסס RDL והשני עבור BGA על מצעים אורגניים רב-שכבתיים. דגמי החבילות הללו הם פרמטריים, כולל ערימת שכבת המצע ו-BGA לפני הצגת מידע ה-EDA, ומאפשרים הערכת חומר מוקדמת ובחירת מיקום קוביות. לאחר מכן, יובאו נתוני EDA, ולכל דגם, מפות חומרים סיפקו תיאור תרמי מפורט של התפלגות הנחושת בכל השכבות. הדמיית פיזור החום הסופית (ראה איור 2) נחשבה לכל החומרים מלבד מכסה המתכת, TIM וחומרי מילוי תת-מילוי.

 

  מנהל השיווק הטכני של JCET, אריק Ouyang, הצטרף למהנדסי JCET ו-Meta כדי להשוות את הביצועים התרמיים של שבבים מונוליטיים, מודולים מרובי שבבים, 2.5D interposers ושבבים 3D מוערמים עם ASIC אחד ושני SRAMs. תהליך ההשוואה שומר על סביבת השרת, גוף קירור עם תא ואקום ו-TIM קבועים. מבחינה תרמית, 2.5D ו-MCM ביצועים טובים יותר מאשר שבבים תלת מימדיים או מונוליטיים. Ouyang ועמיתיו ב-JCET תכננו מטריצת נגד ודיאגרמת מעטפת הספק (ראה איור 3) שניתן להשתמש בהם בתכנון מודול מוקדם כדי לקבוע את רמות הספק הכניסה של שבבים שונים ולקבוע צמתים לפני סימולציות תרמיות שגוזלות זמן. האם ניתן לשלב את הטמפרטורה בצורה מהימנה. כפי שמוצג באיור, אזור בטוח מדגיש את טווח ההספק בכל שבב שעומד בתקני אמינות.

Ouyang הסביר כי במהלך תהליך התכנון, יתכן למתכנני מעגלים יש מושג לגבי רמות ההספק של השבבים השונים המוצבים במודול, אך ייתכן שלא ידעו אם רמות ההספק הללו נמצאות בגבולות האמינות. תרשים זה קובע את אזור ההספק הבטוח עבור עד שלושה שבבים במודול שבבים. הצוות פיתח מחשבון כוח אוטומטי עבור שבבים נוספים.

 

03 לכמת התנגדות תרמית

אנו יכולים להבין כיצד החום מועבר דרך שבב הסיליקון, המעגל, הדבק, ה-TIM או מכסה האריזה, ולהשתמש בשיטות סטנדרטיות של הפרש טמפרטורה ותפקוד כוח כדי לעקוב אחר ערכי טמפרטורה והתנגדות.

"הנתיב התרמי מכומת על ידי שלושה ערכי מפתח - ההתנגדות התרמית מצומת המכשיר לסביבה, ההתנגדות התרמית מהצומת למארז [על גבי האריזה], וההתנגדות התרמית מהצומת למארז. לוח מעגלים", אמר Ouyang של JCET. התנגדות תרמית. הוא ציין כי, לכל הפחות, הלקוחות של JCET דורשים θja, θjc ו-θjb, שבהם הם משתמשים לאחר מכן בתכנון המערכת. הם עשויים לדרוש שהתנגדות תרמית נתונה לא תעלה על ערך מסוים ולדרוש שעיצוב החבילה יספק את הביצועים הללו. (ראה JESD של JEDEC51-12, הנחיות לדיווח ושימוש במידע תרמי של החבילה לפרטים).

 

  הדמיה תרמית היא הדרך החסכונית ביותר לחקור את הבחירה וההתאמה של חומרים. על ידי הדמיית השבב במצב עבודה, אנו מוצאים בדרך כלל נקודה חמה אחת או יותר, כך שנוכל להוסיף נחושת לחומר הבסיס מתחת לנקודות החמות כדי להקל על פיזור החום; או שנה את חומר האריזה והוסף גוף קירור. אינטגרטור המערכת עשוי לציין שההתנגדויות התרמיות θja, θjc ו-θjb לא יחרגו מערכים מסוימים. בדרך כלל, טמפרטורת צומת הסיליקון צריכה להישמר מתחת ל-125 מעלות.

לאחר השלמת הסימולציה, מפעל האריזה עורך עיצוב ניסויים (DOE) כדי להגיע לפתרון האריזה הסופי.

04 בחר TIM

באריזה, יותר מ-90% מהחום מתפזר דרך האריזה מהחלק העליון של השבב לגוף קירור, בדרך כלל סנפירים אנכיים על בסיס אלומיניום. חומר ממשק תרמי (TIM) עם מוליכות תרמית גבוהה ממוקם בין השבב לאריזה כדי לסייע בהעברת חום. הדור הבא של TIMs עבור CPUs כולל סגסוגות מתכת מתכת כגון אינדיום ופח, כמו גם פח כסופה, עם מוליכות של 60W/mK ו-50W/mK בהתאמה.

ככל שהיצרנים מעבירים SoCs לתהליכי chiplet, יש צורך בעוד TIMs עם מאפיינים ועוביים שונים.

YoungDo Kweon, מנהל בכיר למו"פ ב- Amkor, אמר כי עבור מערכות בצפיפות גבוהה, להתנגדות התרמית של ה-TIM בין השבב לחבילה יש השפעה גדולה יותר על ההתנגדות התרמית הכוללת של המודול הארוז. מגמות ההספק גדלות באופן דרמטי, במיוחד עבור ההיגיון, ולכן אנו מתמקדים בשמירה על טמפרטורות צומת נמוכות כדי להבטיח פעולה אמינה של מוליכים למחצה. למרות שספקי TIM מספקים ערכי התנגדות תרמית לחומרים שלהם, במציאות, ההתנגדות התרמית משבב לאריזה (θjc) מושפעת מתהליך ההרכבה עצמו, כולל איכות ההדבקה ואזור המגע בין השבב ל-TIM. הוא ציין כי בדיקה עם כלי הרכבה בפועל וחומרי מליטה בסביבה מבוקרת היא קריטית להבנת הביצועים התרמיים בפועל ולבחירת ה-TIM הטוב ביותר להסמכת הלקוח.

פערים הם בעיה מיוחדת. פארי של סימנס אמר כי "השימוש בחומרים באריזה הוא אתגר גדול. אנחנו כבר יודעים שתכונות החומר של הדבק או הדבק, והאופן שבו החומר מרטיב את פני השטח, ישפיעו על ההתנגדות התרמית הכוללת שמציג החומר, כלומר, התנגדות המגע תלויה באופן שבו החומר זורם אל פני השטח מבלי ליצור פגמים שיוצרים התנגדות נוספת לזרימת החום.

 

05 התמודדות אחרת עם בעיות חום

יצרניות השבבים מחפשות דרכים לפתור את בעיית פיזור החום. רנדי ווייט, מנהל תוכניות פתרונות זיכרון ב-Keysight Technologies, אמר: "שיטת האריזה נשארת זהה, אם תקטין את גודל השבב ברבע, היא תאיץ. ייתכנו כמה הבדלי שלמות האות. בגלל מפתחות החבילה החיצוניים חוט החיבור נכנס לשבב, וככל שהחוט ארוך יותר, השראות גדולה יותר, אז יש את החלק של הביצועים החשמליים אז איך מפזרים כל כך הרבה אנרגיה בחלל קטן מספיק. זה עוד פרמטר מרכזי שצריך ללמוד ."

זה הוביל להשקעה משמעותית במחקר התקשרות חדשני, המתמקד לכאורה בקשר היברידי. אבל חיבור היברידי הוא יקר ונשאר מוגבל ליישומים מסוג מעבדים בעלי ביצועים גבוהים, כאשר TSMC כיום אחת החברות היחידות שמציעות טכנולוגיה זו. עם זאת, הסיכויים לשילוב פוטונים על שבבי CMOS או גליום ניטריד על סיליקון מבטיחים.

06 מסקנה

הרעיון הראשוני לאריזה מתקדמת הוא שהיא תעבוד כמו לבני לגו - ניתן להרכיב שבבים שפותחו בצמתי תהליכים שונים ולהקל על בעיות תרמיות. אבל זה גובה מחיר. מנקודת מבט של ביצועים וכוח, המרחק שהאות צריך לעבור הוא חשוב, ומעגלים שתמיד מופעלים, או צריכים להישאר פתוחים חלקית, יכולים להשפיע על הביצועים התרמיים. חלוקת שבב למספר חלקים כדי להגדיל את התפוקה והגמישות אינה פשוטה כפי שהיא נראית. יש לבצע אופטימיזציה של כל חיבור בחבילה, ונקודות חמות אינן מוגבלות עוד לשבב בודד.

ניתן להשתמש בכלי דוגמנות מוקדמים כדי לשלול שילובים שונים של שבבים, מה שנותן דחיפה גדולה למעצבי מודולים מורכבים. בעידן זה של צפיפות כוח הולכת וגוברת, סימולציה תרמית והכנסת TIMs חדשים יישארו חיוניים.