Come risolvere il problema termico del confezionamento dei chip
I chip di imballaggio avanzati non solo soddisfano le esigenze del calcolo ad alte prestazioni, dell'intelligenza artificiale, della crescita della densità di potenza, ecc., ma complicano anche i problemi di dissipazione del calore degli imballaggi avanzati. Perché un punto caldo su un chip può influenzare la distribuzione del calore dei chip adiacenti. Anche la velocità di interconnessione tra i chip è più lenta nei moduli che nel SoC.
Gli ingegneri sono alla ricerca di modi efficaci per dissipare il calore dai moduli complessi. Posizionare più chip uno accanto all'altro nello stesso pacchetto può alleviare i problemi termici, ma mentre l'azienda approfondisce ulteriormente l'impilamento dei chip e il packaging più denso per migliorare le prestazioni e ridurre il consumo, sta combattendo una serie di nuovi problemi legati al calore.
L'attuale e popolare area di confezionamento BGA flip con CPU e HBM è di circa 2500 millimetri quadrati. Vediamo che un chip grande può diventare quattro o cinque chip piccoli. Quindi è necessario avere più I/O affinché questi chip possano comunicare tra loro. Quindi puoi distribuire il calore. Infatti, alcuni dispositivi sono così complessi che è difficile sostituire facilmente i componenti per personalizzare questi dispositivi per specifiche applicazioni sul campo. Questo è il motivo per cui molti prodotti di imballaggio avanzati vengono utilizzati per componenti con quantità molto grandi o elasticità del prezzo, come i chip dei server.
Durante il processo di progettazione, i progettisti di circuiti potrebbero avere un'idea dei livelli di potenza dei vari chip inseriti nel modulo, ma potrebbero non sapere se questi livelli di potenza rientrano nell'intervallo di affidabilità. Pertanto, gli ingegneri sono alla ricerca di nuovi metodi per condurre l'analisi termica dell'affidabilità dell'imballaggio prima di produrre moduli di imballaggio. Attraverso la simulazione termica, possiamo capire come viene condotto il calore attraverso chip di silicio, circuiti stampati, adesivi, TIM o coperture di imballaggi, utilizzando metodi standard come la differenza di temperatura e la funzione di potenza per monitorare i valori di temperatura e resistenza.
La simulazione termica è il metodo più economico per esplorare la selezione e l'abbinamento dei materiali. Simulando i chip nel loro stato di funzionamento, solitamente scopriamo uno o più punti caldi, quindi possiamo aggiungere rame al substrato sotto i punti caldi per facilitare la dissipazione del calore; Oppure cambia il materiale di imballaggio e aggiungi un dissipatore di calore.
Nel packaging, oltre il 90% del calore viene dissipato dalla parte superiore del chip al dissipatore di calore attraverso il packaging, solitamente un'aletta verticale a base di ossido di alluminio anodizzato. Un materiale di interfaccia termica (TIM) con elevata conduttività termica è posizionato tra il chip e il package per favorire il trasferimento del calore. La prossima generazione di TIM per CPU include leghe di lamiera (come indio e stagno), nonché stagno sinterizzato in argento, con conduttività rispettivamente di 60 W/mK e 50 W/mK.
Il concetto iniziale di un packaging avanzato è che funzionerà come i mattoncini LEGO: i chip sviluppati in diversi nodi del processo potranno essere assemblati insieme e i problemi termici saranno alleviati. Ma questo ha un costo. Dal punto di vista delle prestazioni e della potenza, la distanza necessaria per propagarsi è fondamentale e il circuito rimane sempre aperto o deve essere parzialmente aperto, il che può influire sulle prestazioni termiche. Dividere i chip in più parti per aumentare la produzione e la flessibilità non è così semplice come potrebbe sembrare. Ogni interconnessione nella confezione deve essere ottimizzata e gli hotspot non sono più limitati a un singolo chip.
I primi strumenti di modellazione potrebbero essere utilizzati per escludere diverse combinazioni di chip, fornendo una grande forza trainante per i progettisti di moduli complessi. In quest’era di densità di potenza in costante aumento, la simulazione termica e l’introduzione di nuovi TIM saranno ancora essenziali.
