चिप पैकेजिंग की थर्मल समस्याओं को कैसे हल करें

  लॉजिक चिप्स गर्मी उत्पन्न करते हैं, और तर्क जितना सघन होगा और प्रसंस्करण तत्वों का उपयोग जितना अधिक होगा, गर्मी उतनी ही अधिक होगी। ...
इंजीनियर जटिल मॉड्यूल से गर्मी को कुशलतापूर्वक नष्ट करने के तरीकों की तलाश कर रहे हैं।

एक ही पैकेज में एक साथ कई चिप्स रखने से थर्मल संबंधी समस्याएं कम हो सकती हैं, लेकिन जैसे-जैसे कंपनियां प्रदर्शन बढ़ाने और बिजली कम करने के लिए चिप स्टैकिंग और सघन पैकेजिंग में आगे बढ़ती हैं, वे गर्मी से संबंधित समस्याओं के एक नए सेट से जूझ रही हैं।

उन्नत पैकेजिंग चिप्स न केवल उच्च-प्रदर्शन कंप्यूटिंग, कृत्रिम बुद्धिमत्ता, बिजली घनत्व वृद्धि आदि की जरूरतों को पूरा कर सकते हैं, बल्कि उन्नत पैकेजिंग के गर्मी लंपटता मुद्दे भी जटिल हो गए हैं। क्योंकि एक चिप पर हॉट स्पॉट आसन्न चिप्स के ताप वितरण को प्रभावित करेगा। एसओसी की तुलना में मॉड्यूल में चिप्स के बीच इंटरकनेक्ट गति भी धीमी है।

इलेक्ट्रॉनिक्स और सेमीकंडक्टर के प्रमुख जॉन पैरी ने कहा, "इससे पहले कि दुनिया मल्टी-कोर जैसी चीजों में आए, आप एक चिप के साथ काम कर रहे थे जिसकी अधिकतम शक्ति लगभग 150 वाट प्रति वर्ग सेंटीमीटर थी, जो एक एकल बिंदु ताप स्रोत था।" सीमेंस डिजिटल इंडस्ट्रीज सॉफ्टवेयर। आप गर्मी को तीनों दिशाओं में नष्ट कर सकते हैं, जिससे आप कुछ उच्च शक्ति घनत्व प्राप्त कर सकते हैं। लेकिन जब आपके पास एक चिप होती है और उसके बगल में एक और चिप लगाते हैं, और फिर उसके बगल में एक और चिप लगाते हैं, तो वे "एक दूसरे को गर्म करते हैं। इसका मतलब है कि आप प्रत्येक चिप के लिए समान शक्ति स्तर को बर्दाश्त नहीं कर सकते हैं, जो थर्मल बनाता है चुनौती कहीं अधिक कठिन है।"

बाज़ार में 3D-IC स्टैकिंग की धीमी प्रगति का यह एक मुख्य कारण है। जबकि अवधारणा शक्ति दक्षता और एकीकरण के नजरिए से समझ में आती है - और 3डी नंद और एचबीएम में अच्छी तरह से काम करती है - जब तर्क शामिल होता है तो यह एक अलग कहानी है। लॉजिक चिप्स गर्मी उत्पन्न करते हैं, और तर्क जितना सघन होगा और प्रसंस्करण तत्वों का उपयोग जितना अधिक होगा, गर्मी उतनी ही अधिक होगी। यह लॉजिक स्टैकिंग को दुर्लभ बनाता है, जो 2.5डी फ्लिप-चिप बीजीए और फैन-आउट डिज़ाइन की लोकप्रियता को समझाता है।

 

 

01 सही पैकेज चुनें

चिप डिजाइनरों के लिए, कई पैकेजिंग विकल्प हैं। लेकिन चिप एकीकरण का प्रदर्शन महत्वपूर्ण है। सिलिकॉन, टीएसवी, तांबे के खंभे आदि जैसे घटकों में विस्तार के अलग-अलग थर्मल गुणांक (टीसीई) होते हैं, जो असेंबली उपज और दीर्घकालिक विश्वसनीयता को प्रभावित करते हैं।

यदि आप उच्च आवृत्ति पर खोलते और बंद करते हैं, तो आपको थर्मल साइक्लिंग संबंधी समस्याओं का सामना करना पड़ सकता है। मुद्रित सर्किट बोर्ड, सोल्डर बॉल और सिलिकॉन सभी अलग-अलग दरों पर फैलते और सिकुड़ते हैं। इसलिए, पैकेज के कोनों में थर्मल साइक्लिंग विफलताओं को देखना सामान्य है, जहां सोल्डर बॉल्स में दरार आ सकती है। तो कोई वहां अतिरिक्त ग्राउंड वायर या अतिरिक्त बिजली की आपूर्ति लगा सकता है।

सीपीयू और एचबीएम के साथ वर्तमान में लोकप्रिय फ्लिप-चिप बीजीए पैकेज का क्षेत्रफल लगभग 2500 वर्ग मिलीमीटर है। ओन्टो इनोवेशन में सॉफ्टवेयर उत्पाद प्रबंधन के निदेशक माइक मैकइंटायर ने कहा, "हम देख रहे हैं कि एक बड़ी चिप संभावित रूप से चार या पांच छोटी चिप्स बन सकती है।" "तो उन चिप्स को एक-दूसरे से बात करने की अनुमति देने के लिए आपके पास अधिक I/O होना चाहिए। ताकि आप गर्मी आवंटित कर सकें।

अंततः, कूलिंग एक ऐसा मुद्दा है जिसे सिस्टम स्तर पर निपटाया जा सकता है, और यह ट्रेड-ऑफ़ की एक श्रृंखला के साथ आता है।

वास्तव में, कुछ उपकरण इतने जटिल होते हैं कि अनुप्रयोग के विशिष्ट क्षेत्र के लिए इन उपकरणों को अनुकूलित करने के लिए घटकों को आसानी से बदलना मुश्किल होता है। यही कारण है कि कई उन्नत पैकेजिंग उत्पादों का उपयोग सर्वर चिप्स जैसे बहुत अधिक मात्रा या मूल्य-लोचदार घटकों के लिए किया जाता है।

02 चिप मॉड्यूल सिमुलेशन और परीक्षण में प्रगति

बहरहाल, इंजीनियर पैकेज्ड मॉड्यूल के निर्माण से पहले पैकेज विश्वसनीयता का थर्मल विश्लेषण करने के नए तरीकों की तलाश कर रहे हैं। उदाहरण के लिए, सीमेंस एक दोहरे-एएसआईसी-आधारित मॉड्यूल का एक उदाहरण प्रदान करता है जो बीजीए पैकेज में एक बहुपरत कार्बनिक सब्सट्रेट पर एक फैन-आउट पुनर्वितरण परत (आरडीएल) माउंट करता है। यह दो मॉडलों का उपयोग करता है, एक आरडीएल-आधारित डब्ल्यूएलपी के लिए और दूसरा बहु-परत कार्बनिक सब्सट्रेट्स पर बीजीए के लिए। ये पैकेज मॉडल पैरामीट्रिक हैं, जिनमें ईडीए जानकारी पेश करने से पहले सब्सट्रेट लेयर स्टैक और बीजीए शामिल हैं, और प्रारंभिक सामग्री मूल्यांकन और डाई प्लेसमेंट चयन को सक्षम करते हैं। इसके बाद, ईडीए डेटा आयात किया गया और, प्रत्येक मॉडल के लिए, सामग्री मानचित्रों ने सभी परतों में तांबे के वितरण का विस्तृत थर्मल विवरण प्रदान किया। अंतिम ऊष्मा अपव्यय सिमुलेशन (चित्र 2 देखें) में मेटल कैप, टीआईएम और अंडरफिल सामग्री को छोड़कर सभी सामग्रियों पर विचार किया गया।

 

  जेसीईटी तकनीकी विपणन निदेशक एरिक ओयांग एक एएसआईसी और दो एसआरएएम के साथ मोनोलिथिक चिप्स, मल्टी-चिप मॉड्यूल, 2.5 डी इंटरपोजर और 3 डी स्टैक्ड चिप्स के थर्मल प्रदर्शन की तुलना करने के लिए जेसीईटी और मेटा इंजीनियरों में शामिल हुए। तुलना प्रक्रिया सर्वर वातावरण, वैक्यूम चैम्बर के साथ हीट सिंक और टीआईएम को स्थिर रखती है। थर्मल के लिहाज से, 2.5डी और एमसीएम 3डी या मोनोलिथिक चिप्स से बेहतर प्रदर्शन करते हैं। ओयांग और जेसीईटी के सहयोगियों ने एक प्रतिरोधी मैट्रिक्स और पावर लिफ़ाफ़ा आरेख (चित्र 3 देखें) डिज़ाइन किया है जिसका उपयोग प्रारंभिक मॉड्यूल डिज़ाइन में विभिन्न चिप्स के इनपुट पावर स्तर को निर्धारित करने और समय लेने वाली थर्मल सिमुलेशन से पहले जंक्शन सेट करने के लिए किया जा सकता है। क्या तापमान को विश्वसनीय रूप से संयोजित किया जा सकता है। जैसा कि चित्र में दिखाया गया है, एक सुरक्षित क्षेत्र प्रत्येक चिप पर पावर रेंज को हाइलाइट करता है जो विश्वसनीयता मानकों को पूरा करता है।

ओयांग ने बताया कि डिजाइन प्रक्रिया के दौरान, सर्किट डिजाइनरों को मॉड्यूल में रखे गए विभिन्न चिप्स के पावर स्तरों का अंदाजा हो सकता है, लेकिन यह नहीं पता हो सकता है कि वे पावर स्तर विश्वसनीयता सीमा के भीतर हैं या नहीं। यह आरेख एक चिपलेट मॉड्यूल में तीन चिप्स तक के लिए सुरक्षित पावर क्षेत्र निर्धारित करता है। टीम ने अधिक चिप्स के लिए एक स्वचालित पावर कैलकुलेटर विकसित किया है।

 

03 थर्मल प्रतिरोध की मात्रा निर्धारित करें

हम समझ सकते हैं कि सिलिकॉन चिप, सर्किट बोर्ड, गोंद, टीआईएम या पैकेज ढक्कन के माध्यम से गर्मी कैसे संचालित होती है, और तापमान और प्रतिरोध मूल्यों को ट्रैक करने के लिए तापमान अंतर और पावर फ़ंक्शन के मानक तरीकों का उपयोग करते हैं।

"थर्मल पथ को तीन प्रमुख मानों द्वारा निर्धारित किया जाता है - डिवाइस जंक्शन से पर्यावरण तक थर्मल प्रतिरोध, जंक्शन से केस तक थर्मल प्रतिरोध [पैकेज के शीर्ष पर], और जंक्शन से थर्मल प्रतिरोध सर्किट बोर्ड, "जेसीईटी के ओयांग ने कहा। थर्मल रेज़िज़टेंस। उन्होंने कहा कि, कम से कम, जेसीईटी के ग्राहकों को θja, θjc, और θjb की आवश्यकता होती है, जिसे वे सिस्टम डिज़ाइन में उपयोग करते हैं। उन्हें आवश्यकता हो सकती है कि दिया गया थर्मल प्रतिरोध एक विशिष्ट मूल्य से अधिक न हो और पैकेज डिज़ाइन उस प्रदर्शन को प्रदान करे। (विवरण के लिए जेईडीईसी के जेईएसडी51-12, पैकेज थर्मल सूचना की रिपोर्टिंग और उपयोग के लिए दिशानिर्देश देखें)।

 

  सामग्रियों के चयन और मिलान का पता लगाने के लिए थर्मल सिमुलेशन सबसे किफायती तरीका है। कार्यशील स्थिति में चिप का अनुकरण करके, हम आमतौर पर एक या अधिक हॉट स्पॉट पाते हैं, इसलिए हम गर्मी अपव्यय की सुविधा के लिए हॉट स्पॉट के नीचे आधार सामग्री में तांबा जोड़ सकते हैं; या पैकेजिंग सामग्री बदलें और हीट सिंक जोड़ें। सिस्टम इंटीग्रेटर निर्दिष्ट कर सकता है कि थर्मल प्रतिरोध θja, θjc, और θjb कुछ मानों से अधिक नहीं होने चाहिए। आम तौर पर, सिलिकॉन जंक्शन तापमान 125 डिग्री से नीचे रखा जाना चाहिए।

सिमुलेशन पूरा होने के बाद, पैकेजिंग फैक्ट्री अंतिम पैकेजिंग समाधान पर पहुंचने के लिए प्रयोगों का एक डिजाइन (डीओई) आयोजित करती है।

04 टीआईएम का चयन करें

एक पैकेज में, 90% से अधिक गर्मी पैकेज के माध्यम से चिप के शीर्ष से हीट सिंक तक फैल जाती है, आमतौर पर एनोडाइज्ड एल्यूमीनियम-आधारित ऊर्ध्वाधर पंख। गर्मी हस्तांतरण में मदद के लिए चिप और पैकेज के बीच उच्च तापीय चालकता वाला एक थर्मल इंटरफ़ेस सामग्री (टीआईएम) रखा जाता है। सीपीयू के लिए अगली पीढ़ी के टीआईएम में क्रमशः 60W/mK और 50W/mK की चालकता के साथ शीट धातु मिश्र धातु जैसे इंडियम और टिन, साथ ही सिल्वर-सिंटेड टिन शामिल हैं।

जैसे-जैसे निर्माता SoCs को चिपलेट प्रक्रियाओं में परिवर्तित करते हैं, विभिन्न गुणों और मोटाई वाले अधिक TIM की आवश्यकता होती है।

एमकोर में आर एंड डी के वरिष्ठ निदेशक यंगडो क्वोन ने कहा कि उच्च-घनत्व प्रणालियों के लिए, चिप और पैकेज के बीच टीआईएम का थर्मल प्रतिरोध पैक किए गए मॉड्यूल के समग्र थर्मल प्रतिरोध पर अधिक प्रभाव डालता है। बिजली के रुझान नाटकीय रूप से बढ़ रहे हैं, खासकर तर्क के लिए, इसलिए हम विश्वसनीय अर्धचालक संचालन सुनिश्चित करने के लिए जंक्शन तापमान को कम रखने पर ध्यान केंद्रित करते हैं। यद्यपि टीआईएम आपूर्तिकर्ता अपनी सामग्रियों के लिए थर्मल प्रतिरोध मान प्रदान करते हैं, वास्तव में, चिप से पैकेज (θjc) तक थर्मल प्रतिरोध असेंबली प्रक्रिया से ही प्रभावित होता है, जिसमें चिप और टीआईएम के बीच संबंध गुणवत्ता और संपर्क क्षेत्र भी शामिल है। उन्होंने कहा कि नियंत्रित वातावरण में वास्तविक असेंबली टूल और बॉन्डिंग सामग्री के साथ परीक्षण करना वास्तविक थर्मल प्रदर्शन को समझने और ग्राहक योग्यता के लिए सर्वोत्तम टीआईएम का चयन करने के लिए महत्वपूर्ण है।

अंतराल एक विशेष समस्या है. सीमेंस के पैरी ने कहा, "पैकेजिंग में सामग्रियों का उपयोग एक बड़ी चुनौती है। हम पहले से ही जानते हैं कि चिपकने वाले या गोंद के भौतिक गुण, और जिस तरह से सामग्री सतह को गीला करती है, वह सामग्री द्वारा प्रस्तुत समग्र थर्मल प्रतिरोध को प्रभावित करेगी।" यानी, संपर्क प्रतिरोध। बहुत कुछ इस बात पर निर्भर करता है कि सामग्री बिना किसी खामियां पैदा किए सतह में कैसे प्रवाहित होती है जो गर्मी प्रवाह के लिए अतिरिक्त प्रतिरोध पैदा करती है।

 

05 गर्मी की समस्याओं से अलग ढंग से निपटना

चिप निर्माता गर्मी अपव्यय समस्या को हल करने के तरीके तलाश रहे हैं। कीसाइट टेक्नोलॉजीज के मेमोरी सॉल्यूशंस प्रोग्राम मैनेजर रैंडी व्हाइट ने कहा: "पैकेजिंग विधि वही रहती है, यदि आप चिप का आकार एक चौथाई कम कर देते हैं, तो यह तेज हो जाएगा। कुछ सिग्नल अखंडता अंतर हो सकते हैं। बाहरी पैकेज कुंजियों के कारण बॉन्डिंग तार चिप में चला जाता है, और तार जितना लंबा होगा, प्रेरण उतना ही अधिक होगा, इसलिए विद्युत प्रदर्शन का हिस्सा है, तो, आप एक छोटी सी जगह में इतनी ऊर्जा कैसे बर्बाद करते हैं? यह एक और महत्वपूर्ण पैरामीटर है जिसका अध्ययन करने की आवश्यकता है ।"

इससे अत्याधुनिक बॉन्डिंग अनुसंधान में महत्वपूर्ण निवेश हुआ है, जो हाइब्रिड बॉन्डिंग पर ध्यान केंद्रित कर रहा है। लेकिन हाइब्रिड बॉन्डिंग महंगी है और उच्च-प्रदर्शन प्रोसेसर-प्रकार के अनुप्रयोगों तक ही सीमित है, टीएसएमसी वर्तमान में इस तकनीक की पेशकश करने वाली एकमात्र कंपनियों में से एक है। हालाँकि, सीएमओएस चिप्स पर फोटॉन या सिलिकॉन पर गैलियम नाइट्राइड के संयोजन की संभावनाएं आशाजनक हैं।

06 निष्कर्ष

उन्नत पैकेजिंग के लिए प्रारंभिक विचार यह है कि यह लेगो ईंटों की तरह काम करेगा - विभिन्न प्रक्रिया नोड्स पर विकसित चिप्स को एक साथ इकट्ठा किया जा सकता है और थर्मल समस्याएं कम हो जाएंगी। लेकिन इसकी एक कीमत चुकानी पड़ती है। प्रदर्शन और शक्ति के दृष्टिकोण से, सिग्नल को यात्रा करने के लिए आवश्यक दूरी महत्वपूर्ण है, और जो सर्किट हमेशा चालू रहते हैं, या आंशिक रूप से खुले रहने की आवश्यकता होती है, वे थर्मल प्रदर्शन को प्रभावित कर सकते हैं। उपज और लचीलेपन को बढ़ाने के लिए एक चिप को कई भागों में विभाजित करना उतना आसान नहीं है जितना लगता है। पैकेज में प्रत्येक इंटरकनेक्ट को अनुकूलित किया जाना चाहिए, और हॉटस्पॉट अब एक चिप तक सीमित नहीं हैं।

प्रारंभिक मॉडलिंग टूल का उपयोग चिप्स के विभिन्न संयोजनों को दूर करने के लिए किया जा सकता है, जिससे जटिल मॉड्यूल के डिजाइनरों को बड़ा बढ़ावा मिलेगा। लगातार बढ़ती बिजली घनत्व के इस युग में, थर्मल सिमुलेशन और नए टीआईएम की शुरूआत आवश्यक रहेगी।