Como resolver o problema térmico da embalagem de chips

Os chips de embalagens avançadas não apenas atendem às necessidades de computação de alto desempenho, inteligência artificial, crescimento da densidade de potência, etc., mas também complicam os problemas de dissipação de calor das embalagens avançadas. Porque um ponto quente em um chip pode afetar a distribuição de calor dos chips adjacentes. A velocidade de interconexão entre chips também é mais lenta em módulos do que em SoC.

Os engenheiros estão procurando maneiras eficazes de dissipar o calor de módulos complexos. Colocar vários chips lado a lado no mesmo pacote pode aliviar problemas térmicos, mas à medida que a empresa se aprofunda no empilhamento de chips e em embalagens mais densas para melhorar o desempenho e reduzir o consumo de energia, eles estão lutando contra uma série de novos problemas relacionados ao calor.

A atual área de embalagem flip BGA popular com CPU e HBM é de aproximadamente 2.500 milímetros quadrados. Vemos que um chip grande pode se transformar em quatro ou cinco chips pequenos. Portanto é necessário ter mais E/S para que esses chips se comuniquem entre si. Então você pode distribuir o calor. Na verdade, alguns dispositivos são tão complexos que é difícil substituir facilmente componentes para personalizar esses dispositivos para aplicações de campo específicas. É por isso que muitos produtos de embalagem avançados são usados ​​para componentes com grandes quantidades ou elasticidade de preço, como chips de servidor.

Durante o processo de projeto, os projetistas de circuitos podem ter uma ideia dos níveis de potência de vários chips colocados no módulo, mas podem não saber se esses níveis de potência estão dentro da faixa de confiabilidade. Portanto, os engenheiros estão buscando novos métodos para realizar análises térmicas de confiabilidade de embalagens antes de fabricar módulos de embalagens. Através da simulação térmica, podemos entender como o calor é conduzido através de chips de silício, placas de circuito, adesivos, TIMs ou tampas de embalagens, enquanto usamos métodos padrão, como diferença de temperatura e função de potência, para rastrear valores de temperatura e resistência.

A simulação térmica é o método mais econômico para explorar a seleção e combinação de materiais. Ao simular chips em seu estado de funcionamento, geralmente descobrimos um ou mais pontos de acesso, para que possamos adicionar cobre ao substrato abaixo dos pontos de acesso para facilitar a dissipação de calor; Ou troque o material da embalagem e adicione um dissipador de calor.

Na embalagem, mais de 90% do calor é dissipado da parte superior do chip para o dissipador de calor através da embalagem, geralmente uma aleta vertical baseada em óxido de alumínio anodizado. Um material de interface térmica (TIM) com alta condutividade térmica é colocado entre o chip e a embalagem para ajudar na transferência de calor. A próxima geração de TIM para CPUs inclui ligas de chapas metálicas (como índio e estanho), bem como estanho sinterizado com prata, com condutividade de 60W/mK e 50W/mK, respectivamente.

O conceito inicial de embalagens avançadas é que elas funcionarão como blocos de construção LEGO – chips desenvolvidos em diferentes nós de processo podem ser montados juntos e os problemas térmicos serão atenuados. Mas isso tem um custo. Do ponto de vista do desempenho e da potência, a distância que o sinal precisa para se propagar é crucial, e o circuito permanece sempre aberto ou precisa ser parcialmente aberto, o que pode afetar o desempenho térmico. Dividir chips em múltiplas partes para aumentar a produção e a flexibilidade não é tão simples quanto pode parecer. Cada interconexão na embalagem deve ser otimizada e os hotspots não estão mais limitados a um único chip.
As primeiras ferramentas de modelagem poderiam ser usadas para excluir diferentes combinações de chips, proporcionando uma grande força motriz para projetistas de módulos complexos. Nesta era de aumento contínuo da densidade de potência, a simulação térmica e a introdução de novos TIMs ainda serão essenciais.