Λεπτομέρειες Blog

Η αυξανόμενη σημασία της διαχείρισης της θερμότητας

Η συσκευασία CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate) έχει γίνει μια κυρίαρχη προσέγγιση για υπολογιστές υψηλής απόδοσης, επιταχυντές τεχνητής νοημοσύνης και μονάδες μνήμης υψηλής ζώνης.Η κύρια έμφαση συχνά δίνεται στην πυκνότητα διασύνδεσηςΩστόσο, ένας από τους πιο κρίσιμους παράγοντες που τελικά περιορίζουν την απόδοση είναι η θερμική διαχείριση.

Καθώς η πυκνότητα της ενέργειας συνεχίζει να αυξάνεται, οι παραδοσιακές λύσεις ψύξης όπως οι απορροφητές θερμότητας, οι ανεμιστήρες ή η ψύξη με υγρό δεν επαρκούν πλέον.και διαχέτες θερμότηταςΜεταξύ των αναδυόμενων υλικών, οι λύσεις με βάση τον άνθρακα και οι ημιαγωγοί ευρείας ζώνης έχουν προσελκύσει την προσοχή, μεΥπόστρωμα SiC(υπόστρωμα καρβιδίου του πυριτίου)παρουσιάζει μοναδική δυναμική λόγω της υψηλής θερμικής αγωγιμότητας, της μηχανικής ανθεκτικότητας και της θερμικής σταθερότητας.

Η θερμική διαδρομή του CoWoS: Η κατανόηση της πρόκλησης

Η θερμότητα που παράγεται από τα ενεργά πετρώματα εξαπλώνεται πρώτα πλευρικά μέσω του ενσωματωτή, στη συνέχεια κινείται κατακόρυφα μέσω του υποστρώματος,και τελικά φτάνει στο εξωτερικό σύστημα ψύξηςΚάθε στρώμα εισάγει θερμική αντίσταση, η οποία μπορεί να οδηγήσει σε σημεία θερμότητας εάν δεν διαχειρίζεται σωστά.

Στην παραδοσιακή δομή CoWoS με βάση το πυρίτιο, ο ενδιάμεσος αγωγός θερμότητας είναι μέτρια καλά, αλλά το πάχος και οι περιορισμοί υλικού περιορίζουν την αποτελεσματικότητά του.αυξημένα σημεία θερμότηταςΣε τέτοιες συνθήκες, υλικά όπωςΥπόστρωμα SiCμπορεί να ενισχύσει την πλευρική διάδοση της θερμότητας και να μειώσει τον κίνδυνο θερμικής παραμόρφωσης, γεφυρώνοντας ένα κρίσιμο κενό στη διαχείριση της θερμότητας σε επίπεδο συστήματος.

Διακοπές πυριτίου: Δυνατά σημεία και περιορισμοί

Οι διακόπτες πυριτίου υιοθετούνται ευρέως στο CoWoS λόγω των ώριμων διαδικασιών κατασκευής τους, της συμβατότητας διασύνδεσης λεπτού βήματος και της ηλεκτρικής απόδοσης.Τα σιλικόνιο-ενσωματωτικά λειτουργούν καλά., παρέχοντας ακριβή διαδρομή σήματος και μηχανική υποστήριξη.

Ωστόσο, καθώς το CoWoS κλιμακώνεται σε εφαρμογές υψηλής ισχύος, γίνονται εμφανείς οι περιορισμοί:

• Τα τοπικά hotspot μειώνουν την απόδοση και την αξιοπιστία.

• Η αντίσταση της θερμικής επέκτασης μεταξύ του διαθέτη πυριτίου και των πινέλων υψηλής ισχύος μπορεί να προκαλέσει άγχος και στρέβλωση.

• Οι περιορισμοί του πάχους περιορίζουν την ικανότητα του ενσωματωτή να διαλύει αποτελεσματικά τη θερμότητα.

Οι προκλήσεις αυτές δείχνουν γιατί τα εναλλακτικά ή συμπληρωματικά υλικά, όπωςΥπόστρωμα SiC, απαιτούνται για τη διατήρηση της απόδοσης και της αξιοπιστίας των συστημάτων CoWoS επόμενης γενιάς.

Διεύρυνση της παλέτας θερμικών υλικών

Η ικανοποίηση των θερμικών απαιτήσεων των συσκευασιών CoWoS υψηλής πυκνότητας απαιτεί να προχωρήσουμε πέρα από το πυρίτιο.

1. Προχωρημένοι διαχέτες θερμότητας: Τα σύνθετα χαλκού ή χαλκού-μολυβδενίου μπορούν να μειώσουν την τοπική θερμική αντίσταση, αλλά συχνά εισάγουν μηχανική ασυμφωνία.

2. Υψηλής απόδοσης υλικά θερμικής διεπαφής (TIM): Μειώνει την αντίσταση επαφής, αλλά δεν μπορεί να ξεπεράσει τα θεμελιώδη όρια υλικού.

3. Κεραμική και υλικά ευρείας ζώνηςΥλικά όπως:Υπόστρωμα SiCσυνδυάζουν υψηλή θερμική αγωγιμότητα με μηχανική αντοχή και χημική σταθερότητα, καθιστώντας τους ιδανικούς για εφαρμογές CoWoS υψηλής ισχύος και υψηλής πυκνότητας.

Με τη στρατηγική ενσωμάτωση αυτών των υλικών,γίνεται δυνατή η δημιουργία ενός πακέτου CoWoS όπου κάθε στρώμα έχει σαφώς καθορισμένο ρόλο στη διαχείριση της θερμότητας αντί να βασίζεται αποκλειστικά στην εξωτερική ψύξη.

Υπόστρωμα καρβιδίου πυριτίου: Λειτουργικοί ρόλοι στο CoWoS

Το υπόστρωμα SiC προσφέρει αρκετά πλεονεκτήματα έναντι του συμβατικού πυριτίου για τη θερμική διαχείριση σε συσκευασίες CoWoS:

• Υψηλή θερμική αγωγιμότηταΕλαφρύνει την πλευρική και κατακόρυφη διάδοση της θερμότητας, ελαχιστοποιώντας τα θερμά σημεία.

• Χαμηλός συντελεστής θερμικής διαστολής (CTE): Μειώνει τη μηχανική πίεση κατά τη διάρκεια του θερμικού κύκλου.

• Μηχανική αντοχή: Διατηρεί τη σταθερότητα των διαστάσεων σε λεπτές και μεγάλες πλάκες.

• Χημική σταθερότητα: συμβατό με επεξεργασία υψηλών θερμοκρασιών και μακροχρόνια λειτουργία.

Σε πρακτικές εφαρμογές, το υπόστρωμα SiC μπορεί να εξυπηρετεί πολλαπλούς ρόλους:

• Ως υψηλής απόδοσης διακομιστής, αντικαθιστώντας ή συμπληρώνοντας στρώματα πυριτίου.

• Σαν ένα ενσωματωμένο στρώμα εξαπλώσεως θερμότητας κάτω από υψηλής ισχύος πεθαίνει.

• Ως δομικό στρώμα για τη σταθεροποίηση του πακέτου και την πρόληψη της παραμόρφωσης υπό θερμική πίεση.

Αυτοί οι ρόλοι επιτρέπουν στον διαθέτη και το υπόστρωμα να λειτουργούν ως ένα ενιαίοθερμική και μηχανική πλατφόρμα, όχι μόνο ως ηλεκτρικό στρώμα διασύνδεσης.

Συμπτώματα των θερμικών υλικών σε επίπεδο συστήματος

Τα υλικά θερμικής διαχείρισης επηρεάζουν περισσότερο από την απώλεια θερμότητας, αλλά καθορίζουν τη συνολική αρχιτεκτονική του συστήματος.Υπόστρωμα SiCή παρόμοια προηγμένα υλικά, οι σχεδιαστές μπορούν να επιτύχουν:

• Μεγαλύτερη διαρκής απόδοση υπό συνεχή λειτουργία υψηλής ισχύος.

• Μειωμένες θερμικές κλίσεις, βελτίωση της αξιοπιστίας και μείωση των ποσοστών αποτυχίας.

• Περισσότερες συμπαγείς μονάδες πολλαπλών τσιπ και ετερογενής ολοκλήρωση, επιτρέποντας καινοτόμους σχεδιασμούς σε επιταχυντές τεχνητής νοημοσύνης και υπολογιστές υψηλών επιδόσεων.

Οι αποφάσεις που λαμβάνονται στο στρώμα υλικών επηρεάζουν τη διάταξη του πακέτου, την τοποθέτηση των τσιπλετών και τελικά,η απόδοση ολόκληρου του συστήματος.

Εξετάσεις κατασκευής για το υπόστρωμα SiC στο CoWoS

Ενώ το υπόστρωμα SiC προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα, η ενσωμάτωσή του σε συσκευασίες CoWoS απαιτεί προσεκτική εξέταση:

• Αποδυνάμωση κυψελών: Το SiC είναι σκληρότερο από το πυρίτιο, καθιστώντας δύσκολη την ακριβή αραίωση.

• Μέσα από το σχηματισμό: Οι διάδρομοι SiC απαιτούν προηγμένες μεθόδους χαρακτικής ή με βοήθεια λέιζερ.

• Μεταλλικοποίηση: Η επίτευξη ισχυρής και αξιόπιστης προσκόλλησης μετάλλου στο SiC απαιτεί στρώματα φραγμού και προσκόλλησης προσαρμοσμένα σε λειτουργία υψηλών θερμοκρασιών.

• Έλεγχος ελαττωμάτων: Τα πλακάκια SiC μεγάλης έκτασης για 12 ιντσών CoWoS πρέπει να διατηρούν την ομοιομορφία και τη χαμηλή πυκνότητα ελαττωμάτων για να εξασφαλίσουν την απόδοση.

Οι λύσεις στον έλεγχο διαδικασιών, την επιθεώρηση και τον χειρισμό υλικών επιτρέπουν τη χρήση υπόστρωτου SiC σε εφαρμογές CoWoS υψηλών επιδόσεων.

Προς τις αρχιτεκτονικές CoWoS με επίκεντρο τα υλικά

Η εξέλιξη του CoWoS υποδηλώνει ότι οι προηγμένες συσκευασίες θαυλικούΗ ηλεκτρική συνδεσιμότητα παραμένει σημαντική, αλλά οι θερμικές και οι μηχανικές ιδιότητες διαδραματίζουν πλέον εξίσου κρίσιμο ρόλο.Υπόστρωμα SiCΤα πακέτα CoWoS μπορούν να υποστηρίξουν υψηλότερες πυκνότητες ισχύος, να μειώσουν τον κίνδυνο θερμικής αποτυχίας και να επιτρέψουν σύνθετες αρχιτεκτονικές ετερογενούς ολοκλήρωσης.

Η αλλαγή αυτή υπογραμμίζει επίσης μια ευρύτερη τάση στην συσκευασία ημιαγωγών: η επιστήμη των υλικών, η μηχανική και ο σχεδιασμός σε επίπεδο συστήματος συγκλίνουν.Τα μελλοντικά πακέτα CoWoS θα καθορίζονται τόσο από την επιλογή των θερμικών υλικών όσο και από την διασύνδεση ή το μέγεθος του πίνακα..

Συμπεράσματα

Τα υλικά θερμικής διαχείρισης CoWoS δεν είναι πλέον περιφερειακά· καθορίζουν το πεδίο λειτουργίας των σύγχρονων συστημάτων υψηλών επιδόσεων.και καινοτόμα υλικά όπωςΥπόστρωμα SiCπαρέχουν νέες οδούς για τη διάδοση της θερμότητας, τη μηχανική σταθερότητα και τη μακροπρόθεσμη αξιοπιστία.

Με την προτεραιότητα της καινοτομίας και της ολοκλήρωσης σε επίπεδο υλικού, οι σχεδιαστές CoWoS μπορούν να ξεκλειδώσουν υψηλότερες επιδόσεις, πυκνότερες αρχιτεκτονικές και ισχυρή λειτουργία σε απαιτητικά περιβάλλοντα.Καθώς οι πυκνότητες ισχύος συνεχίζουν να αυξάνονταιΤο υπόστρωμα SiC θα αποτελέσει βασικό παράγοντα για την τεχνολογία CoWoS επόμενης γενιάς, γεφυρώνοντας το χάσμα μεταξύ της επιστήμης των υλικών και της απόδοσης σε επίπεδο συστήματος.