Szczegóły bloga

Rosnące znaczenie zarządzania termicznego

Pakowanie CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate) stało się dominującym podejściem w obliczeniach o wysokiej wydajności, akceleratorach AI i modułach pamięci o dużej przepustowości. Główny nacisk często kładziony jest na gęstość połączeń, integrację chipletów lub skalowanie węzłów logicznych. Jednak jednym z najbardziej krytycznych czynników, który ostatecznie ogranicza wydajność, jest zarządzanie termiczne.

Wraz ze wzrostem gęstości mocy, tradycyjne rozwiązania chłodzące, takie jak radiatory, wentylatory lub chłodzenie cieczą, nie są już wystarczające. Materiały używane wewnątrz pakietu—interposery, podłoża i rozpraszacze ciepła—odgrywają coraz bardziej centralną rolę. Wśród pojawiających się materiałów uwagę przyciągnęły rozwiązania oparte na węglu i półprzewodniki o szerokiej przerwie energetycznej, z podłoże SiC (podłoże z węglika krzemu) wykazującym unikalny potencjał ze względu na wysoką przewodność cieplną, wytrzymałość mechaniczną i stabilność termiczną.

Ścieżka termiczna CoWoS: Zrozumienie wyzwania

Pakiet CoWoS składa się z wielu warstw, przez które musi przemieszczać się ciepło. Ciepło generowane przez aktywne układy scalone najpierw rozprzestrzenia się bocznie przez interposer, następnie przemieszcza się pionowo przez podłoże i ostatecznie dociera do zewnętrznego systemu chłodzenia. Każda warstwa wprowadza opór cieplny, który może prowadzić do powstawania gorących punktów, jeśli nie jest odpowiednio zarządzany.

W tradycyjnych CoWoS opartych na krzemie, interposer dobrze przewodzi ciepło, ale ograniczenia grubości i materiału ograniczają jego skuteczność. Wraz z zagęszczaniem się architektur chipletów, gorące punkty rosną, a gradienty termiczne mogą powodować naprężenia mechaniczne. W takich warunkach materiały takie jak podłoże SiC mogą poprawić boczne rozpraszanie ciepła i zmniejszyć ryzyko deformacji termicznej, wypełniając krytyczną lukę w zarządzaniu termicznym na poziomie systemu.

Interposery krzemowe: Mocne strony i ograniczenia

Interposery krzemowe są szeroko stosowane w CoWoS ze względu na dojrzałe procesy produkcji, kompatybilność z połączeniami o małym skoku i wydajność elektryczną. W przypadku zastosowań o niskiej i umiarkowanej mocy, interposery krzemowe sprawdzają się dobrze, zapewniając precyzyjne prowadzenie sygnałów i wsparcie mechaniczne.

Jednak w miarę skalowania CoWoS do zastosowań o dużej mocy, ograniczenia stają się widoczne:

• Zlokalizowane gorące punkty zmniejszają wydajność i niezawodność.

• Niedopasowanie rozszerzalności cieplnej między interposerem krzemowym a układami scalonymi o dużej mocy może powodować naprężenia i wypaczenia.

• Ograniczenia grubości ograniczają zdolność interposera do skutecznego rozpraszania ciepła.

Wyzwania te ilustrują, dlaczego alternatywne lub uzupełniające materiały, takie jak podłoże SiC, są potrzebne do utrzymania wydajności i niezawodności w systemach CoWoS nowej generacji.

Poszerzanie palety materiałów termicznych

Sprostanie wymaganiom termicznym pakowania CoWoS o dużej gęstości wymaga wyjścia poza krzem. Inżynierowie materiałowi koncentrują się teraz na kilku podejściach:

1. Zaawansowane rozpraszacze ciepła: Kompozyty miedzi lub miedzi i molibdenu mogą zmniejszyć lokalny opór cieplny, ale często wprowadzają niedopasowanie mechaniczne.

2. Wysokowydajne materiały interfejsu termicznego (TIM): Zmniejszają opór stykowy, ale nie mogą pokonać podstawowych ograniczeń materiałowych.

3. Ceramika i materiały o szerokiej przerwie energetycznej: Materiały takie jak podłoże SiC łączą wysoką przewodność cieplną z wytrzymałością mechaniczną i stabilnością chemiczną, co czyni je idealnymi do zastosowań CoWoS o dużej mocy i dużej gęstości.

Strategicznie integrując te materiały, możliwe jest stworzenie pakietu CoWoS, w którym każda warstwa ma jasno określoną rolę w zarządzaniu termicznym, zamiast polegać wyłącznie na chłodzeniu zewnętrznym.

Podłoże z węglika krzemu: Funkcjonalne role w CoWoS

Podłoże SiC oferuje kilka zalet w porównaniu z konwencjonalnym krzemem w zakresie zarządzania termicznego w pakietach CoWoS:

• Wysoka przewodność cieplna: Ułatwia boczne i pionowe rozpraszanie ciepła, minimalizując gorące punkty.

• Niski współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE): Zmniejsza naprężenia mechaniczne podczas cykli termicznych.

• Wytrzymałość mechaniczna: Utrzymuje stabilność wymiarową w cienkich i dużych obszarach płytek.

• Stabilność chemiczna: Kompatybilność z agresywnymi procesami wysokotemperaturowymi i długotrwałą eksploatacją.

W praktycznych zastosowaniach podłoże SiC może pełnić wiele ról:

• Jako wysokowydajny interposer, zastępujący lub uzupełniający warstwy krzemowe.

• Jako wbudowana warstwa rozpraszająca ciepło pod układami scalonymi o dużej mocy.

• Jako warstwa strukturalna stabilizująca pakiet i zapobiegająca wypaczeniom pod wpływem naprężeń termicznych.

Role te pozwalają interposerowi i podłożu funkcjonować jako ujednolicona platforma termiczna i mechaniczna, a nie tylko jako warstwa połączeń elektrycznych.

Implikacje materiałów termicznych na poziomie systemu

Materiały do zarządzania termicznego wpływają na więcej niż tylko rozpraszanie ciepła—określają one ogólną architekturę systemu. Poprzez włączenie podłoże SiC lub podobnych zaawansowanych materiałów, projektanci mogą osiągnąć:

• Wyższą, stałą wydajność podczas ciągłej pracy o dużej mocy.

• Zmniejszone gradienty termiczne, poprawiające niezawodność i zmniejszające wskaźniki awaryjności.

• Bardziej kompaktowe moduły wieloukładowe i integrację heterogeniczną, umożliwiając innowacyjne projekty w akceleratorach AI i obliczeniach o wysokiej wydajności.

Innymi słowy, materiały termiczne działają teraz jako czynniki umożliwiające, a nie ograniczające. Decyzje podejmowane na poziomie materiałów wpływają na układ pakietu, rozmieszczenie chipletów i ostatecznie wydajność całego systemu.

Aspekty produkcyjne podłoża SiC w CoWoS

Chociaż podłoże SiC oferuje znaczne zalety, jego integracja z pakietami CoWoS wymaga starannego rozważenia:

• Cienienie płytek: SiC jest twardszy niż krzem, co utrudnia precyzyjne cienienie.

• Tworzenie przelotek: Przelotki przez SiC wymagają zaawansowanych metod trawienia lub wspomaganych laserem.

• Metalizacja: Uzyskanie silnej, niezawodnej adhezji metalu na SiC wymaga warstw barierowych i adhezyjnych dostosowanych do pracy w wysokich temperaturach.

• Kontrola defektów: Płytki SiC o dużych powierzchniach dla CoWoS 12-calowych muszą zachować jednorodność i niską gęstość defektów, aby zapewnić wydajność.

Wyzwania te są niebanalne, ale możliwe do pokonania. Rozwiązania w zakresie kontroli procesów, inspekcji i obsługi materiałów umożliwiają stosowanie podłoża SiC w wysokowydajnych aplikacjach CoWoS.

W kierunku architektur CoWoS zorientowanych na materiały

Ewolucja CoWoS sugeruje, że zaawansowane pakowanie będzie coraz bardziej napędzane materiałami. Łączność elektryczna pozostaje ważna, ale właściwości termiczne i mechaniczne odgrywają obecnie równie krytyczną rolę. Poprzez integrację podłoże SiC, pakiety CoWoS mogą obsługiwać wyższe gęstości mocy, zmniejszać ryzyko awarii termicznych i umożliwiać złożone heterogeniczne architektury integracji.

Ta zmiana podkreśla również szerszy trend w pakowaniu półprzewodników: nauka o materiałach, inżynieria mechaniczna i projektowanie na poziomie systemu zbliżają się do siebie. Przyszłe pakiety CoWoS będą definiowane w równym stopniu przez wybór materiałów termicznych, co przez skok połączeń lub rozmiar układu scalonego.

Wnioski

Materiały do zarządzania termicznego CoWoS nie są już peryferyjne—definiują one zakres działania nowoczesnych systemów o wysokiej wydajności. Tradycyjne warstwy krzemowe osiągają swoje granice termiczne, a innowacyjne materiały, takie jak podłoże SiC, zapewniają nowe ścieżki dla rozpraszania ciepła, stabilności mechanicznej i długotrwałej niezawodności.

Dzięki priorytetowemu traktowaniu innowacji i integracji na poziomie materiałów, projektanci CoWoS mogą odblokować wyższą wydajność, gęstsze architektury i niezawodną pracę w wymagających środowiskach. Wraz ze wzrostem gęstości mocy, podłoże SiC stanie się kluczowym czynnikiem umożliwiającym technologię CoWoS nowej generacji, wypełniając lukę między nauką o materiałach a wydajnością na poziomie systemu.