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Anzahl Durchsuchen:2 Autor:Site Editor veröffentlichen Zeit: 2022-12-07 Herkunft:Powered
Während die Industrie auf 3D-Packaging umsteigt und die digitale Logik weiter skaliert, verschieben zunehmende thermische Herausforderungen die Grenzen von Forschung und Entwicklung.Zu viel Hitze auf kleinem Raum kann echte Probleme verursachen, z. B. wenn Produkte zu heiß sind, um sie zu halten.Ein überhitzter DRAM muss aufgrund von Leistungs- und Zuverlässigkeitsverlusten ständig aufgefrischt werden, wodurch der Chip in Hochtemperaturindustrien wie der Automobilindustrie noch stärker beansprucht wird.
Unter idealen Bedingungen wäre der Chip aus Kupfer und das Substrat zu 100 % aus Kupfer.Selbst wenn das möglich wäre, würde der Chip wegen eines anderen einschränkenden Faktors im Gehäuse nicht mehr Leistung gewinnen.
Thermische Bedenken werden bei 2,5D- und 3D-Gehäusen zu einer frühen Design- und Gehäuseentscheidung.Die Wärmeableitung ist eines der wichtigsten Probleme, die berücksichtigt werden müssen, sowohl in Bezug auf den Speicher als auch auf die Logik auf dem Logikstapel.
Auf der Suche nach Lösungen kristallisierten sich Mikrofluidik und thermische Schnittstellenmaterialien (TIMs) als Schlüsselbereiche der Entwicklung heraus.Zur Wärmeabfuhr kann ein Flüssigkeitskühler direkt auf dem Chip angebracht oder Kanäle in den Chip selbst eingebaut werden.Auf der TIM-Seite wird gesintertes Silberepoxid verwendet.
Die Mikrofluidik könnte bald in die Produktion übergehen.Es wird an super exotischen Orten auftauchen, besonders wenn Sie anfangen, gestapelte Hochleistungslogik zu verwenden.Wenn keine Kühlmaßnahmen ergriffen werden, wird die Stapellogik auf die Wärmeabfuhr eines einzelnen Chips beschränkt.Es gibt einen enormen wirtschaftlichen Impuls, um diese Probleme anzugehen.
Seit 40 Jahren ist die kommerzielle Mikrofluidik in greifbare Nähe gerückt.Die Idee, Flüssigkeiten in mikro-/nanoskalige Kanäle einzubetten, um Halbleiter zu kühlen, wurde erstmals in einem mittlerweile klassischen Artikel beschrieben.Seit 1981 wurden verschiedene Varianten ausprobiert, und jetzt zeigen einige Projekte echte und praktische Kühlversprechen.Aus thermischer Sicht ist dies eine sehr interessante Kühllösung, da das Kühlmittel so nah wie möglich an der Wärmequelle platziert werden kann und mehrere thermische Barrieren in dieser Konfiguration eliminiert werden.Eine funktionierende Version des mikrofluidischen Targets integriert Kanäle direkt in den Chip, anstatt sich auf TIMs oder Bonding zu verlassen.Letzteres hat den kommerziellen Markt aufgrund von Zuverlässigkeitsproblemen destabilisiert.Dies ist eine Störung Kühllösung Dies erfordert ein enges Co-Design zwischen Fluidkanalstrukturen und Elektronik, um das volle Potenzial dieser Kühlmethode auszuschöpfen.Es ist ideal für anspruchsvolle Anwendungen mit extrem hohen Leistungsdichten.Für CMOS-Anwendungen mit Leistungsdichten im Hunderter-W/cm²-Bereich können separate Kühlblöcke mit entspannteren Kanaldurchmessern von mehreren hundert µm verwendet werden.
Es gibt zwei Haupttypen von Archetypen.Einer ist ein Silizium-Mikrokanalkühler, und die Hauptentwicklung ist die Verbindung mit dem Chip mit geringem Wärmewiderstand.Die andere ist die direkte Flüssigkeitskühlung auf dem Chip mit komplex geformten 3D-gedruckten Kühlgeometrien.
Der Kühler wird mit dem Wissen des Wafer-zu-Wafer-Bondens mit sehr geringem Wärmewiderstand von weniger als 1 mm 2 -K/W auf den Chip gebondet.Verwenden Sie Schmelzbonden, Oxidbonden oder Metallbonden anstelle von thermischen Schnittstellenmaterialien.Ein Hauptvorteil der Halbleiterverarbeitung besteht darin, dass sehr feine Linien mit engen Toleranzen hergestellt werden können.
Ein Verstärkungsring ist oft erforderlich, um das Fehlen eines Deckels für die mechanische Integrität der Verpackung auszugleichen.Wenn die Durchgänge zu klein sind, ist der Druckabfall, der das Kühlmittel durchdrückt, zu hoch.Und das Flüssigkeitsvolumen ist endlich.Die Hauptgründe für die langsame Einführung sind Zuverlässigkeitsprobleme (Leckage), Wartungsanforderungen und Systemkomplexität.Höherer Druck ist ein möglicher Nachteil, aber kein Hindernis.
Unterteilen Sie kommerzielle Flüssigkeitskühlungsmethoden in vier verschiedene Typen.
Anschraubbare Kühler, die fortschrittlichste Technologie, die in Rechenzentren verfügbar ist.Das Kühlplatte sitzt auf dem Deckel statt auf dem Kühler.Oben und unten wird TIM verwendet.
Der Kühler wird mit nur einer Schicht Wärmeleitmaterial direkt auf den Chip gebondet.Einige Orte beginnen, diese Konfiguration zu übernehmen.
Rückseitenkühlung Dieses Layout wurde nur in Studien vorgeschlagen und ermöglicht, dass das Kühlmittel näher an der Wärmequelle ist.Anstelle des Bondens wird ein Dielektrikum verwendet, das in direktem Kontakt mit dem Chip steht.Zwischen der Flüssigkeit und dem Chip besteht eine vertikale Verbindung.Daher werden Wärmegradientenprobleme lateraler Konstruktionen vermieden.
On-Chip-Kühlung beinhaltet den Einschluss von Kühlmittel in Kanäle, die in den Chip eingebettet sind.Obwohl es die beste Kühlung bietet, besteht eine potenzielle Herausforderung darin, dass möglicherweise nicht genügend Platz für Kanäle mit niedrigerer Tonhöhe vorhanden ist.
Darüber hinaus ein Prototyp eines intern gekühlten Gehäuses, das mit 3D-Technologie erstellt wurde und aus keramischem Aluminiumoxid besteht.Es verwendet Dickschichttechnologie für die obere Metallisierung und mehrere SiC-FETs werden daran angeschlossen.Aluminiumoxid ist bereits ein Oxid, und Kupfer oxidiert leicht, sodass diese Grenzfläche durch die Kombination dieser beiden Oxide gebildet wird.Dies ist derzeit die günstigste Möglichkeit, Leistungsmodule aus Keramik herzustellen, was die Kosten senkt.Isoliertes Metallsubstrat (IMS) ist im Grunde wie jede PCB-Fertigungstechnologie, verwendet jedoch schweres Kupfer.Während das meiste PCB-Kupfer 0,25 bis 0,5 Unzen Kupfer enthält, sind es eher 3 oder 4 Unzen.Dies ist etwas kostengünstiger als Aluminiumoxid mit der gleichen Grundfläche.
Obwohl die Abmessungen des Prototyps dicker sind als bei typischen Substraten, ist das Besondere an dieser rechteckigen Struktur, dass sie von Kanälen durchzogen ist, mit Austrittslöchern an ihren kürzeren Seiten.Bei voller Einschaltdauer gibt das Modul viel Wärme ab.Wie wird man die Hitze los?Durch den Kanal wird ein Kühlmittel geleitet, beispielsweise Kaltluft, Stickstoffkühlmittel oder eine andere kalte Substanz.Wenn das Kühlmittel läuft, kühlt es ab.
Sowohl der Bolt-On-Kühler als auch der oben beschriebene Direct-Bond-Kühler verwenden ein TIM, um die Wärmeübertragung zwischen dem Chip und dem Kühler zu optimieren, ebenso wie viele andere Konfigurationen.TIMs verwenden eine Vielzahl von Materialien, darunter Wärmeleitpaste, Lückenfüller, isolierende Hardwarematerialien, Phasenwechselmaterialien und wärmeleitende Epoxide wie Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid und Berylliumoxid.
Es stellt sich jedoch heraus, dass viele TIMs nicht so effizient sind, wie es ihre weit verbreitete Verwendung vermuten lässt.Mit zunehmender Leistung der Flüssigkeitskühlung werden thermische Schnittstellenmaterialien zu einem wichtigen thermischen Engpass.Systemintegratoren haben viele Fragen dazu, wie TIMs durch leistungsfähigere Materialien ersetzt werden können und welche Zuverlässigkeitsrisiken bestehen.
Die Herausforderung bestand darin, ein Material zu finden, das eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt und gleichzeitig so flexibel ist, dass es der Topologie unterschiedlicher Bauteile folgen kann.
Im Allgemeinen sind die meisten Materialien mit guter elektrischer Leitfähigkeit auch sehr steif, sodass sie sich nicht nur nicht anpassen, sondern auch Stress verursachen.Kein einzelnes Material hat diese Eigenschaften, daher musste eines durch die Herstellung von Verbundwerkstoffen entwickelt werden.Zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit können nun innen wärmeleitfähige Partikel eingebracht werden.Es kann zusammengesetzte Materialien geben.Es könnte sogar Kohlenstoffnanoröhren oder Graphenblätter geben.Gerade in diesem Bereich hat sich viel getan.
Angesichts des dringenden Bedarfs an neuartigen Materialien sollten wir die Bedeutung von Durchbrüchen in der Materialwissenschaft für die Lösung thermischer Probleme respektieren.Die Industrie hat noch einen langen Weg vor sich, um Materialien zu finden, die flexibel, zuverlässig und wirtschaftlich sind.
Viele verschiedene TIMs werden erforscht, die nicht auf Polymeren basieren.Beispielsweise ist das Ergebnis des Sinterns von Silber eine sehr harte Silberlegierungsmatrix mit hoher Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Deckel und der Form.Ein weiteres Beispiel sind weichere metallische Materialien.Wenn die Zuverlässigkeit und andere Vorteile nicht gegeben sind, scheinen die Phasenwechselmaterialien, von denen vor einigen Jahren oft gesprochen wurde, verschwunden zu sein.
Um die Leistung in Flip-Chip-Gehäusen abzuleiten, weisen gesinterte Silberepoxide eine bessere Wärmeleistung auf, daher werden drucklose (wie Atrox) oder druckgesinterte Epoxide (Argomax) verwendet.Beim Flip-Chip-Ansatz ist der Kühlkörper ein vernickeltes Kupferdesign, das die Rückseite des Chips mit einem thermischen Schnittstellenmaterial (TIM) an der Schnittstelle kontaktiert.Andere Innovationen verwenden mehrere Drähte auf der Rückseite des Chips, die dann mit der Masseebene der Leiterplatte verbunden werden, um die Wärmeableitung zu verbessern.Kupfer ist nach wie vor die beste thermische Schnittstelle und sehr kostengünstig.
Dies ist eine der Motivationen, in der Mikrofluidik zu arbeiten, wenn es einen Weg gibt, der die Notwendigkeit eines TIM vollständig überflüssig macht.Alternative Kühllösungen können die Verwendung von Schnittstellenmaterialien vermeiden.Durch die Annäherung an den Chip werden diese Materialien eliminiert.Verbessern Sie entweder die Materialien oder werfen Sie sie weg.
Das Ergebnis dieser Herausforderungen ist, dass die Bewältigung von Wärmeproblemen zunehmend auf der Liste der Haushaltsprioritäten steht.Kunden sind oft erstaunt, dass sie so viel von ihrem Budget für thermische Energie ausgeben müssen.Alles ist mit viel Komplexität verbunden.Behandeln Sie etwas Neues und übernehmen Sie es normalerweise erst, wenn es sich als wirksam erwiesen hat und alle Haftungsfragen geklärt sind.Viele Kunden werden sich dessen bewusst und beginnen, Produkte mit fortschrittlicherer Technik, Können und Erfahrung herzustellen.
