Eine Lösung zur Wärmeableitung von 3D-verpackten Chips

Während die Branche auf 3D-Verpackungen umsteigt und die digitale Logik weiter skaliert, stoßen zunehmende thermische Herausforderungen an die Grenzen von Forschung und Entwicklung.Zu viel Hitze auf kleinem Raum kann zu echten Problemen führen, z. B. wenn die Produkte zu heiß zum Halten sind.Überhitzter DRAM muss aufgrund von Leistungs- und Zuverlässigkeitsverlusten ständig aktualisiert werden, wodurch der Chip in Hochtemperaturindustrien wie der Automobilindustrie noch stärker beansprucht wird.

Im Idealfall würde der Chip aus Kupfer bestehen und das Substrat zu 100 % aus Kupfer bestehen.Selbst wenn dies möglich wäre, würde der Chip aufgrund eines anderen einschränkenden Faktors im Gehäuse nicht mehr Leistung erzielen.

Bei 2,5D- und 3D-Gehäusen werden thermische Bedenken zu einer frühen Design- und Verpackungsentscheidung.Die Wärmeableitung ist eines der Hauptthemen, die berücksichtigt werden müssen, sowohl im Hinblick 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 Wärmeableitung kann ein Flüssigkeitskühler direkt auf dem Chip angebracht werden, oder es können Kanäle in den Chip selbst eingebaut werden.Auf der TIM-Seite wird gesintertes Silberepoxidharz verwendet.

Mikrofluidik könnte bald in die Produktion übergehen.Es wird an superexotischen Orten auftauchen, insbesondere wenn Sie anfangen, gestapelte Hochleistungslogik zu verwenden.Werden keine Kühlmaßnahmen ergriffen, beschränkt sich die Stack-Logik auf die Wärmeableitung eines einzelnen Chips.Es gibt große wirtschaftliche Impulse, 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 mittlerweile zeigen einige Projekte echte und praktische Kühlungsversprechen.Aus thermischer Sicht handelt es sich um eine sehr interessante Kühllösung, da das Kühlmittel so nah wie möglich an der Wärmequelle platziert werden kann und bei dieser Konfiguration mehrere thermische Barrieren entfallen.Eine funktionierende Version des mikrofluidischen Ziels integriert Kanäle direkt in den Chip, anstatt sich auf TIMs oder Bonding zu verlassen.Letzteres hat den kommerziellen Markt aufgrund von Zuverlässigkeitsproblemen destabilisiert.Das ist störend 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 Bereich von mehreren hundert W/cm⊃2; können separate Kühlblöcke mit entspannteren Kanaldurchmessern von mehreren hundert µm verwendet werden.

Es gibt zwei Haupttypen von Archetypen.Einer davon ist ein Silizium-Mikrokanalkühler, und die Hauptentwicklung ist die Verbindung mit dem Chip mit geringem Wärmewiderstand.Die andere Möglichkeit ist die direkte Flüssigkeitskühlung auf dem Chip mithilfe komplex geformter 3D-gedruckter Kühlgeometrien.

Der Kühler wird mithilfe der Kenntnisse des Wafer-zu-Wafer-Bondens mit einem sehr geringen Wärmewiderstand von weniger als 1 mm 2 -K/W an den Chip gebondet.Verwenden Sie Schmelzbonden, Oxidbonden oder Metallbonden anstelle von thermischen Schnittstellenmaterialien.Ein großer Vorteil der Halbleiterverarbeitung besteht darin, dass sehr feine Linien mit engen Toleranzen hergestellt werden können.

Oft ist ein Verstärkungsring erforderlich, um das Fehlen eines Deckels auszugleichen und die mechanische Integrität der Verpackung zu gewährleisten.Wenn die Durchgänge zu klein sind, ist der Druckabfall, durch den das Kühlmittel gedrückt wird, zu hoch.Und das Flüssigkeitsvolumen ist endlich.Die Hauptgründe für die langsame Einführung sind Zuverlässigkeitsprobleme (Leckagen), Wartungsanforderungen und Systemkomplexität.Höherer Druck ist ein potenzieller Nachteil, aber kein Hindernis.

Unterteilen Sie kommerzielle Flüssigkeitskühlungsmethoden in vier verschiedene Typen.

Anschraubbare Kühler, die fortschrittlichste Technologie, die in Rechenzentren verfügbar ist.Der Kühlplatte sitzt oben auf dem Deckel statt auf dem Kühler.Oben und unten wird TIM verwendet.

Der Kühler ist mit nur einer Schicht thermischen Schnittstellenmaterials direkt mit dem Chip verbunden.Einige Orte beginnen, diese Konfiguration zu übernehmen.

Rückseitenkühlung Dieses Layout wurde nur in Studien vorgeschlagen und ermöglicht eine nähere Platzierung des Kühlmittels an der Wärmequelle.Anstelle einer Verklebung wird eine dielektrische Flüssigkeit verwendet, die in direktem Kontakt mit dem Chip steht.Zwischen der Flüssigkeit und dem Chip besteht eine vertikale Verbindung.Daher werden Probleme mit dem Wärmegradienten seitlicher Konstruktionen vermieden.

Bei der On-Chip-Kühlung wird Kühlmittel in im Chip eingebetteten Kanälen eingeschlossen.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 innengekühlten Pakets, erstellt mit 3D-Technologie und aus keramischem Aluminiumoxid.Es nutzt die Dickschichttechnologie für die Metallisierung der Oberseite 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 und die Kosten zu senken.Das isolierte Metallsubstrat (IMS) ähnelt im Grunde jeder PCB-Herstellungstechnologie, 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 bei gleicher Stellfläche.

Obwohl die Abmessungen des Prototyps dicker sind als typische Substrate, besteht das Besondere an dieser rechteckigen Struktur darin, dass sie von Kanälen durchzogen ist und an den kürzeren Seiten Austrittslöcher aufweist.Bei voller Einschaltdauer gibt das Modul viel Wärme ab.Wie wird man die Hitze los?Durch den Kanal wird ein Kühlmittel geleitet, beispielsweise kalte Luft, Stickstoffkühlmittel oder eine andere kalte Substanz.Während das Kühlmittel fließt, kühlt es ab.

Sowohl der oben beschriebene Bolt-on-Kühler als auch der Direct-Bond-Kühler nutzen wie viele andere Konfigurationen ein TIM, um die Wärmeübertragung zwischen Chip und Kühler zu optimieren.TIMs verwenden eine Vielzahl von Materialien, darunter Wärmeleitpaste, Lückenfüller, isolierende Hardwarematerialien, Phasenwechselmaterialien und wärmeleitende Epoxidharze wie Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid und Berylliumoxid.

Es stellt sich jedoch heraus, dass viele TIMs nicht so effizient sind, wie ihre weit verbreitete Verwendung vermuten lässt.Mit zunehmender Flüssigkeitskühlungsleistung werden Wärmeschnittstellenmaterialien zu einem wichtigen thermischen Engpass.Systemintegratoren haben viele Fragen dazu, wie TIMs durch leistungsstärkere Materialien ersetzt werden können und welche Zuverlässigkeitsrisiken bestehen.

Die Herausforderung bestand darin, ein Material zu finden, das eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist und gleichzeitig so flexibel ist, dass es der Topologie verschiedener Komponenten folgen kann.

Im Allgemeinen sind die meisten Materialien mit guter elektrischer Leitfähigkeit auch sehr steif, sodass sie sich nicht nur nicht anpassen, sondern auch Spannungen verursachen.Kein einzelnes Material verfügt über diese Eigenschaften, daher musste eines durch die Herstellung von Verbundwerkstoffen hergestellt werden.Zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit können nun im Inneren wärmeleitende Partikel hinzugefügt werden.Es können Verbundwerkstoffe vorliegen.Möglicherweise gibt es sogar Kohlenstoffnanoröhren oder Graphenschichten.In diesem speziellen Bereich gab es große Fortschritte.

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.

Es werden viele verschiedene TIMs erforscht, die nicht auf Polymeren basieren.Beispielsweise entsteht beim Sintern 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 vorhanden sind, scheinen die Phasenwechselmaterialien, über die vor einigen Jahren oft gesprochen wurde, verschwunden zu sein.

Um in Flip-Chip-Gehäusen Strom abzuleiten, weisen gesinterte Silberepoxidharze eine bessere thermische Leistung auf, weshalb drucklose (wie Atrox) oder druckgesinterte Epoxidharze (Argomax) verwendet werden.Beim Flip-Chip-Ansatz besteht der Kühlkörper aus einer vernickelten Kupferkonstruktion, die die Rückseite des Chips mit einem thermischen Schnittstellenmaterial (TIM) an der Schnittstelle kontaktiert.Andere Innovationen nutzen mehrere Drähte auf der Rückseite des Chips, die dann mit der Masseebene der Leiterplatte verbunden werden, um die Wärmeableitung zu verbessern.Kupfer ist immer noch die beste thermische Schnittstelle und sehr kostengünstig.

Dies ist einer der Beweggründe für die Arbeit in der Mikrofluidik, wenn es einen Weg gibt, der die Notwendigkeit eines TIM vollständig eliminiert.Alternative Kühllösungen können den Einsatz von Schnittstellenmaterialien vermeiden.Durch die Annäherung an den Chip werden diese Materialien eliminiert.Entweder die Materialien verbessern oder sie wegwerfen.

Das Ergebnis dieser Herausforderungen ist, dass die Bewältigung von Hitzeproblemen zunehmend auf der Liste der Haushaltsprioritäten steht.Kunden wundern sich oft darüber, dass sie einen so großen Teil ihres Budgets für Wärmeenergie ausgeben müssen.Alles ist sehr komplex.Behandeln Sie etwas Neues und übernehmen Sie es in der Regel erst, wenn es sich als wirksam erwiesen hat und alle Haftungsfragen geklärt sind.Viele Kunden werden sich dessen bewusst und beginnen mit der Herstellung von Produkten mit fortschrittlicherer Technik, Können und Erfahrung.