So lösen Sie das thermische Problem der Chipverpackung
Fortschrittliche Verpackungschips erfüllen nicht nur die Anforderungen von Hochleistungsrechnen, künstlicher Intelligenz, steigender Leistungsdichte usw., sondern erschweren auch die Wärmeableitungsprobleme fortschrittlicher Verpackungen. Denn ein Hot Spot auf einem Chip kann die Wärmeverteilung benachbarter Chips beeinträchtigen. Auch die Verbindungsgeschwindigkeit zwischen Chips ist in Modulen langsamer als in SoC.
Ingenieure suchen nach effektiven Möglichkeiten, die Wärme aus komplexen Modulen abzuleiten. Durch die Platzierung mehrerer Chips nebeneinander im selben Gehäuse können thermische Probleme gemildert werden. Da sich das Unternehmen jedoch weiter mit der Stapelung von Chips und dichteren Gehäusen beschäftigt, um die Leistung zu verbessern und den Stromverbrauch zu reduzieren, kämpft es mit einer Reihe neuer Probleme im Zusammenhang mit der Wärme.
Die derzeit beliebte Flip-BGA-Gehäusefläche mit CPU und HBM beträgt etwa 2500 Quadratmillimeter. Wir sehen, dass aus einem großen Chip vier oder fünf kleine Chips werden können. Daher ist mehr E/A erforderlich, damit diese Chips miteinander kommunizieren können. So können Sie die Wärme verteilen. Tatsächlich sind einige Geräte so komplex, dass es schwierig ist, Komponenten einfach auszutauschen, um diese Geräte an bestimmte Feldanwendungen anzupassen. Aus diesem Grund werden viele fortschrittliche Verpackungsprodukte für Komponenten mit sehr großen Mengen oder Preisenlastizitäten verwendet, beispielsweise für Serverchips.
Während des Entwurfsprozesses haben Schaltungsentwickler möglicherweise eine Vorstellung von den Leistungspegeln verschiedener im Modul platzierter Chips, wissen jedoch möglicherweise nicht, ob diese Leistungspegel innerhalb des Zuverlässigkeitsbereichs liegen. Daher suchen Ingenieure nach neuen Methoden zur Durchführung einer thermischen Analyse der Verpackungszuverlässigkeit vor der Herstellung von Verpackungsmodulen. Durch thermische Simulation können wir verstehen, wie Wärme durch Siliziumchips, Leiterplatten, Klebstoffe, TIMs oder Verpackungsabdeckungen geleitet wird, und dabei Standardmethoden wie Temperaturdifferenz und Leistungsfunktion verwenden, um Temperatur- und Widerstandswerte zu verfolgen.
Die thermische Simulation ist die wirtschaftlichste Methode zur Untersuchung der Auswahl und Abstimmung von Materialien. Durch die Simulation von Chips im Betriebszustand entdecken wir normalerweise einen oder mehrere Hotspots, sodass wir dem Substrat unterhalb der Hotspots Kupfer hinzufügen können, um die Wärmeableitung zu erleichtern. Oder ändern Sie das Verpackungsmaterial und fügen Sie einen Kühlkörper hinzu.
Bei der Verpackung werden über 90 % der Wärme von der Oberseite des Chips über die Verpackung, meist eine vertikale Rippe auf Basis von eloxiertem Aluminiumoxid, zum Kühlkörper abgeleitet. Zwischen Chip und Gehäuse wird ein thermisches Schnittstellenmaterial (TIM) mit hoher Wärmeleitfähigkeit platziert, um die Wärmeübertragung zu unterstützen. Das TIM der nächsten Generation für CPUs umfasst Metallblechlegierungen (wie Indium und Zinn) sowie gesintertes Silberzinn mit einer Leitfähigkeit von 60 W/mK bzw. 50 W/mK.
Das ursprüngliche Konzept von Advanced Packaging besteht darin, dass es wie LEGO-Bausteine funktioniert – Chips, die an verschiedenen Prozessknoten entwickelt wurden, können zusammengefügt werden, und thermische Probleme werden gemildert. Aber das hat seinen Preis. Aus der Perspektive von Leistung und Leistung ist die Entfernung, die das Signal zur Ausbreitung benötigt, entscheidend, und der Stromkreis bleibt immer offen oder muss teilweise offen sein, was sich auf die thermische Leistung auswirken kann. Die Aufteilung von Chips in mehrere Teile zur Steigerung der Produktion und Flexibilität ist nicht so einfach, wie es scheint. Jede Verbindung im Gehäuse muss optimiert werden und Hotspots sind nicht mehr auf einen einzelnen Chip beschränkt.
Frühe Modellierungswerkzeuge könnten verwendet werden, um unterschiedliche Kombinationen von Chips auszuschließen, was eine große treibende Kraft für Designer komplexer Module darstellt. Auch in Zeiten stetig steigender Leistungsdichte werden die thermische Simulation und die Einführung neuer TIMs weiterhin von entscheidender Bedeutung sein.
