Cómo solucionar el problema térmico del envasado de chips
Los chips de embalaje avanzados no sólo satisfacen las necesidades de la informática de alto rendimiento, la inteligencia artificial, el crecimiento de la densidad de potencia, etc., sino que también complican los problemas de disipación de calor del embalaje avanzado. Porque un punto caliente en un chip puede afectar la distribución del calor de los chips adyacentes. La velocidad de interconexión entre chips también es más lenta en módulos que en SoC.
Los ingenieros están buscando formas eficaces de disipar el calor de módulos complejos. Colocar varios chips uno al lado del otro en el mismo paquete puede aliviar los problemas térmicos, pero a medida que la empresa profundiza en el apilamiento de chips y el empaquetado más denso para mejorar el rendimiento y reducir la energía, está luchando contra una serie de nuevos problemas relacionados con el calor.
El área actual de empaquetado popular de BGA flip con CPU y HBM es de aproximadamente 2500 milímetros cuadrados. Vemos que una ficha grande puede convertirse en cuatro o cinco fichas pequeñas. Por lo tanto, es necesario tener más E/S para que estos chips se comuniquen entre sí. Para que puedas distribuir el calor. De hecho, algunos dispositivos son tan complejos que es difícil reemplazar componentes fácilmente para personalizarlos para aplicaciones de campo específicas. Esta es la razón por la que muchos productos de embalaje avanzados se utilizan para componentes con cantidades muy grandes o elasticidad de precio, como los chips de servidor.
Durante el proceso de diseño, los diseñadores de circuitos pueden tener una idea de los niveles de potencia de varios chips colocados en el módulo, pero es posible que no sepan si estos niveles de potencia están dentro del rango de confiabilidad. Por lo tanto, los ingenieros están buscando nuevos métodos para realizar análisis térmicos de la confiabilidad del empaque antes de fabricar módulos de empaque. A través de la simulación térmica, podemos comprender cómo se conduce el calor a través de chips de silicio, placas de circuitos, adhesivos, TIM o cubiertas de embalaje, mientras utilizamos métodos estándar como la diferencia de temperatura y la función de potencia para rastrear los valores de temperatura y resistencia.
La simulación térmica es el método más económico para explorar la selección y combinación de materiales. Al simular chips en su estado de funcionamiento, generalmente descubrimos uno o más puntos calientes, por lo que podemos agregar cobre al sustrato debajo de los puntos calientes para facilitar la disipación del calor; O cambie el material de embalaje y agregue un disipador de calor.
En el embalaje, más del 90% del calor se disipa desde la parte superior del chip hasta el disipador de calor a través del embalaje, normalmente una aleta vertical basada en óxido de aluminio anodizado. Se coloca un material de interfaz térmica (TIM) con alta conductividad térmica entre el chip y el paquete para ayudar a transferir calor. El TIM de próxima generación para CPU incluye aleaciones de láminas metálicas (como indio y estaño), así como estaño sinterizado con plata, con una conductividad de 60 W/mK y 50 W/mK, respectivamente.
El concepto inicial de embalaje avanzado es que funcionará como bloques de construcción LEGO: los chips desarrollados en diferentes nodos de proceso se pueden ensamblar y se aliviarán los problemas térmicos. Pero esto tiene un costo. Desde la perspectiva del rendimiento y la potencia, la distancia que la señal necesita para propagarse es crucial y el circuito siempre permanece abierto o necesita estar parcialmente abierto, lo que puede afectar el rendimiento térmico. Dividir chips en varias partes para aumentar la producción y la flexibilidad no es tan sencillo como parece. Cada interconexión en el paquete debe optimizarse y los puntos de acceso ya no se limitan a un solo chip.
Las primeras herramientas de modelado podrían usarse para excluir diferentes combinaciones de chips, lo que proporcionaría una gran fuerza impulsora para los diseñadores de módulos complejos. En esta era de densidad de potencia en continuo aumento, la simulación térmica y la introducción de nuevos TIM seguirán siendo esenciales.
