جزئیات وبلاگ

اهمیت فزاینده مدیریت حرارتی

بسته‌بندی CoWoS (تراشه روی ویفر روی زیرلایه) به یک رویکرد غالب برای محاسبات با کارایی بالا، شتاب‌دهنده‌های هوش مصنوعی و ماژول‌های حافظه با پهنای باند بالا تبدیل شده است. تمرکز اصلی اغلب بر روی تراکم اتصال، ادغام تراشه یا مقیاس‌بندی گره منطقی است. با این حال، یکی از مهم‌ترین عواملی که در نهایت عملکرد را محدود می‌کند، مدیریت حرارتی است.

با افزایش مداوم چگالی توان، راه‌حل‌های خنک‌کننده سنتی مانند سینک‌های حرارتی، فن‌ها یا خنک‌کننده مایع دیگر کافی نیستند. مواد مورد استفاده در داخل بسته‌بندی—اینترپوزها، زیرلایه‌ها و پخش‌کننده‌های حرارت—نقش فزاینده‌ای مرکزی ایفا می‌کنند. در میان مواد نوظهور، راه‌حل‌های مبتنی بر کربن و نیمه‌رساناهای با شکاف باند وسیع مورد توجه قرار گرفته‌اند، با زیرلایه SiC (زیرلایه کاربید سیلیکون) به دلیل هدایت حرارتی بالا، استحکام مکانیکی و پایداری حرارتی خود، پتانسیل منحصربه‌فردی را نشان می‌دهد.

مسیر حرارتی CoWoS: درک چالش

یک بسته CoWoS از چندین لایه تشکیل شده است که گرما باید از طریق آن‌ها عبور کند. گرمای تولید شده توسط قالب‌های فعال ابتدا به صورت جانبی از طریق اینترپوزر پخش می‌شود، سپس به صورت عمودی از طریق زیرلایه حرکت می‌کند و در نهایت به سیستم خنک‌کننده خارجی می‌رسد. هر لایه مقاومت حرارتی را معرفی می‌کند که در صورت عدم مدیریت صحیح می‌تواند منجر به نقاط داغ شود.

در CoWoS مبتنی بر سیلیکون سنتی، اینترپوزر گرما را نسبتاً خوب هدایت می‌کند، اما محدودیت‌های ضخامت و مواد، اثربخشی آن را محدود می‌کند. با متراکم‌تر شدن معماری‌های تراشه، نقاط داغ افزایش می‌یابد و گرادیان‌های حرارتی می‌توانند باعث ایجاد تنش مکانیکی شوند. در چنین شرایطی، موادی مانند زیرلایه SiC می‌توانند پخش حرارت جانبی را افزایش داده و خطر تغییر شکل ناشی از حرارت را کاهش دهند و شکاف مهمی را در مدیریت حرارتی در سطح سیستم پر کنند.

اینترپوزرهای سیلیکونی: نقاط قوت و محدودیت‌ها

اینترپوزرهای سیلیکونی به دلیل فرآیندهای ساخت بالغ، سازگاری اتصال با گام ریز و عملکرد الکتریکی، به طور گسترده در CoWoS پذیرفته شده‌اند. برای کاربردهای کم تا متوسط توان، اینترپوزرهای سیلیکونی به خوبی کار می‌کنند و مسیریابی دقیق سیگنال و پشتیبانی مکانیکی را ارائه می‌دهند.

با این حال، با مقیاس‌بندی CoWoS به کاربردهای پرقدرت، محدودیت‌ها آشکار می‌شوند:

• نقاط داغ موضعی عملکرد و قابلیت اطمینان را کاهش می‌دهند.

• عدم تطابق انبساط حرارتی بین اینترپوزر سیلیکونی و قالب‌های پرقدرت می‌تواند باعث ایجاد تنش و تاب‌خوردگی شود.

• محدودیت‌های ضخامت، توانایی اینترپوزر را برای اتلاف گرما به طور موثر محدود می‌کند.

این چالش‌ها نشان می‌دهند که چرا مواد جایگزین یا مکمل، مانند زیرلایه SiC، برای حفظ عملکرد و قابلیت اطمینان در سیستم‌های CoWoS نسل بعدی مورد نیاز هستند.

گسترش پالت مواد حرارتی

برآورده کردن نیازهای حرارتی بسته‌بندی CoWoS با چگالی بالا مستلزم فراتر رفتن از سیلیکون است. مهندسان مواد اکنون بر روی چندین رویکرد تمرکز می‌کنند:

1. پخش‌کننده‌های حرارت پیشرفته: مس یا کامپوزیت‌های مس-مولیبدن می‌توانند مقاومت حرارتی موضعی را کاهش دهند، اما اغلب عدم تطابق مکانیکی را معرفی می‌کنند.

2. مواد رابط حرارتی (TIMs) با کارایی بالا: مقاومت تماسی را کاهش می‌دهند، اما نمی‌توانند بر محدودیت‌های اساسی مواد غلبه کنند.

3. سرامیک‌ها و مواد با شکاف باند وسیع: موادی مانند زیرلایه SiC هدایت حرارتی بالا را با استحکام مکانیکی و پایداری شیمیایی ترکیب می‌کنند و آن‌ها را برای کاربردهای CoWoS با توان بالا و چگالی بالا ایده‌آل می‌سازند.

با ادغام استراتژیک این مواد، ایجاد یک بسته CoWoS امکان‌پذیر می‌شود که در آن هر لایه نقش مشخصی در مدیریت حرارتی دارد، نه اینکه فقط به خنک‌کننده خارجی متکی باشد.

زیرلایه کاربید سیلیکون: نقش‌های عملکردی در CoWoS

زیرلایه SiC مزایای متعددی نسبت به سیلیکون معمولی برای مدیریت حرارتی در بسته‌های CoWoS ارائه می‌دهد:

• هدایت حرارتی بالا: پخش حرارت جانبی و عمودی را تسهیل می‌کند و نقاط داغ را به حداقل می‌رساند.

• ضریب انبساط حرارتی (CTE) کم: تنش مکانیکی را در طول چرخه حرارتی کاهش می‌دهد.

• استحکام مکانیکی: پایداری ابعادی را در ویفرهای نازک و با مساحت زیاد حفظ می‌کند.

• پایداری شیمیایی: با فرآوری تهاجمی در دمای بالا و عملکرد طولانی مدت سازگار است.

در کاربردهای عملی، زیرلایه SiC می‌تواند چندین نقش را ایفا کند:

• به عنوان یک اینترپوزر با کارایی بالا، جایگزین یا تکمیل کننده لایه‌های سیلیکونی.

• به عنوان یک لایه پخش‌کننده حرارت تعبیه‌شده در زیر قالب‌های پرقدرت.

• به عنوان یک لایه ساختاری برای تثبیت بسته و جلوگیری از تاب‌خوردگی تحت تنش حرارتی.

این نقش‌ها به اینترپوزر و زیرلایه اجازه می‌دهد تا به عنوان یک پلتفرم حرارتی و مکانیکی متحد عمل کنند، نه فقط به عنوان یک لایه اتصال الکتریکی.

پیامدهای سطح سیستم مواد حرارتی

مواد مدیریت حرارتی بیش از اتلاف گرما تأثیر می‌گذارند—آن‌ها معماری کلی سیستم را تعیین می‌کنند. با گنجاندن زیرلایه SiC یا مواد پیشرفته مشابه، طراحان می‌توانند به موارد زیر دست یابند:

• عملکرد پایدارتر در شرایط عملکرد مداوم با توان بالا.

• گرادیان‌های حرارتی کاهش یافته، بهبود قابلیت اطمینان و کاهش نرخ خرابی.

• ماژول‌های چند تراشه‌ای فشرده‌تر و ادغام ناهمگن، که طرح‌های نوآورانه را در شتاب‌دهنده‌های هوش مصنوعی و محاسبات با کارایی بالا امکان‌پذیر می‌کند.

به عبارت دیگر، مواد حرارتی اکنون به عنوان فعال‌کننده عمل می‌کنند نه محدودیت. تصمیمات گرفته شده در لایه مواد بر طرح‌بندی بسته، قرارگیری تراشه و در نهایت عملکرد کل سیستم تأثیر می‌گذارد.

ملاحظات تولید برای زیرلایه SiC در CoWoS

در حالی که زیرلایه SiC مزایای قابل توجهی را ارائه می‌دهد، ادغام آن در بسته‌های CoWoS نیازمند بررسی دقیق است:

• نازک‌سازی ویفر: SiC سخت‌تر از سیلیکون است و نازک‌سازی دقیق را چالش‌برانگیز می‌کند.

• تشکیل ویا: ویاهای عبوری از SiC به روش‌های اچینگ پیشرفته یا لیزر کمک‌کننده نیاز دارند.

• فلزکاری: دستیابی به چسبندگی فلزی قوی و قابل اعتماد بر روی SiC نیازمند لایه‌های مانع و چسبندگی است که برای عملکرد در دمای بالا تنظیم شده‌اند.

• کنترل نقص: ویفرهای SiC با مساحت زیاد برای CoWoS 12 اینچی باید یکنواختی و چگالی نقص کم را برای اطمینان از بازدهی حفظ کنند.

این چالش‌ها بی‌اهمیت نیستند اما قابل حل هستند. راه‌حل‌ها در کنترل فرآیند، بازرسی و جابجایی مواد، استفاده از زیرلایه SiC را در کاربردهای CoWoS با کارایی بالا امکان‌پذیر می‌کنند.

به سوی معماری‌های CoWoS متمرکز بر مواد

تکامل CoWoS نشان می‌دهد که بسته‌بندی پیشرفته به طور فزاینده‌ای مبتنی بر مواد خواهد بود. اتصال الکتریکی همچنان مهم است، اما خواص حرارتی و مکانیکی اکنون نقش مساوی دارند. با ادغام زیرلایه SiC، بسته‌های CoWoS می‌توانند از چگالی‌های توان بالاتر پشتیبانی کنند، خطر خرابی حرارتی را کاهش دهند و معماری‌های ادغام ناهمگن پیچیده را فعال کنند.

این تغییر همچنین یک روند گسترده‌تر در بسته‌بندی نیمه‌رسانا را برجسته می‌کند: علم مواد، مهندسی مکانیک و طراحی در سطح سیستم در حال همگرایی هستند. بسته‌های CoWoS آینده به همان اندازه که با انتخاب مواد حرارتی تعریف می‌شوند، با گام اتصال یا اندازه قالب نیز تعریف می‌شوند.

نتیجه

مواد مدیریت حرارتی CoWoS دیگر حاشیه‌ای نیستند—آن‌ها محدوده عملکرد سیستم‌های مدرن با کارایی بالا را تعریف می‌کنند. لایه‌های سیلیکونی سنتی به محدودیت‌های حرارتی خود می‌رسند و مواد نوآورانه مانند زیرلایه SiC مسیرهای جدیدی را برای پخش گرما، پایداری مکانیکی و قابلیت اطمینان طولانی مدت فراهم می‌کنند.

با اولویت دادن به نوآوری و ادغام در سطح مواد، طراحان CoWoS می‌توانند عملکرد بالاتر، معماری‌های متراکم‌تر و عملکرد قوی را در محیط‌های پر تقاضا باز کنند. با افزایش مداوم چگالی توان، زیرلایه SiC به یک فعال‌کننده کلیدی فناوری CoWoS نسل بعدی تبدیل خواهد شد و شکاف بین علم مواد و عملکرد در سطح سیستم را پر می‌کند.