Jak rozwiązać problem termiczny pakowania chipów
Zaawansowane chipy opakowaniowe nie tylko spełniają potrzeby obliczeń o wysokiej wydajności, sztucznej inteligencji, wzrostu gęstości mocy itp., ale także komplikują problemy z rozpraszaniem ciepła w zaawansowanych opakowaniach. Ponieważ gorący punkt na chipie może wpływać na dystrybucję ciepła sąsiednich chipów. Szybkość połączeń między chipami jest również mniejsza w modułach niż w SoC.
Inżynierowie szukają skutecznych sposobów odprowadzania ciepła ze złożonych modułów. Umieszczenie wielu chipów obok siebie w tym samym opakowaniu może złagodzić problemy termiczne, ale w miarę jak firma kontynuuje prace nad układaniem chipów i gęstszym pakowaniem w celu poprawy wydajności i zmniejszenia mocy, boryka się z szeregiem nowych problemów związanych z ciepłem.
Obecnie popularna powierzchnia opakowań flip BGA z procesorem i HBM wynosi około 2500 milimetrów kwadratowych. Widzimy, że z dużego żetonu mogą powstać cztery lub pięć małych żetonów. Dlatego konieczne jest posiadanie większej liczby wejść/wyjść, aby te chipy mogły się ze sobą komunikować. Dzięki temu możesz rozprowadzać ciepło. W rzeczywistości niektóre urządzenia są tak złożone, że trudno jest łatwo wymienić komponenty w celu dostosowania ich do konkretnych zastosowań terenowych. Z tego powodu wiele zaawansowanych produktów opakowaniowych wykorzystuje się do komponentów o bardzo dużych ilościach lub elastyczności cenowej, takich jak chipy serwerowe.
Podczas procesu projektowania projektanci obwodów mogą mieć pojęcie o poziomach mocy różnych układów scalonych umieszczonych w module, ale mogą nie wiedzieć, czy te poziomy mocy mieszczą się w zakresie niezawodności. Dlatego inżynierowie poszukują nowych metod przeprowadzania analizy termicznej niezawodności opakowań przed wyprodukowaniem modułów opakowaniowych. Dzięki symulacji termicznej możemy zrozumieć, w jaki sposób ciepło jest przewodzone przez chipy krzemowe, płytki drukowane, kleje, TIM lub pokrywy opakowań, jednocześnie stosując standardowe metody, takie jak różnica temperatur i funkcja mocy, do śledzenia wartości temperatury i rezystancji.
Symulacja termiczna jest najbardziej ekonomiczną metodą badania doboru i dopasowywania materiałów. Symulując stan roboczy chipów, zwykle odkrywamy jeden lub więcej gorących punktów, więc możemy dodać miedź do podłoża poniżej gorących punktów, aby ułatwić odprowadzanie ciepła; Lub zmień materiał opakowaniowy i dodaj radiator.
W opakowaniach ponad 90% ciepła jest odprowadzane z górnej części chipa do radiatora poprzez opakowanie, zwykle pionowe żebro na bazie anodyzowanego tlenku glinu. Pomiędzy chipem a obudową umieszczony jest materiał termoprzewodzący (TIM) o wysokiej przewodności cieplnej, który pomaga w przekazywaniu ciepła. Następna generacja TIM dla procesorów obejmuje stopy blach (takie jak ind i cyna), a także cynę spiekaną srebrem, o przewodności odpowiednio 60 W/mK i 50 W/mK.
Początkowa koncepcja zaawansowanego opakowania zakłada, że będzie ono działać jak klocki LEGO — chipy opracowane w różnych węzłach procesu można ze sobą łączyć, co pozwala złagodzić problemy termiczne. Ale to ma swoją cenę. Z punktu widzenia wydajności i mocy, odległość, jaką musi propagować sygnał, ma kluczowe znaczenie, a obwód zawsze pozostaje otwarty lub musi być częściowo otwarty, co może mieć wpływ na wydajność cieplną. Dzielenie chipów na wiele części w celu zwiększenia produkcji i elastyczności nie jest tak proste, jak mogłoby się wydawać. Każdy interkonekt w opakowaniu musi być zoptymalizowany, a hotspoty nie są już ograniczone do jednego chipa.
Wczesne narzędzia do modelowania można wykorzystać do wykluczenia różnych kombinacji chipów, co stanowi ogromną siłę napędową dla projektantów złożonych modułów. W dobie stale rosnącej gęstości mocy symulacje termiczne i wprowadzanie nowych TIM będą nadal niezbędne.
