Детали блога

Растущая важность терморегулирования

Упаковка CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate) стала доминирующим подходом для высокопроизводительных вычислений, ускорителей ИИ и модулей памяти с высокой пропускной способностью. Основное внимание часто уделяется плотности межсоединений, интеграции чиплетов или масштабированию логических узлов. Однако одним из наиболее критических факторов, который в конечном итоге ограничивает производительность, является терморегулирование.

Поскольку плотность мощности продолжает расти, традиционные решения охлаждения, такие как радиаторы, вентиляторы или жидкостное охлаждение, больше не являются достаточными. Материалы, используемые внутри упаковки — интерпозеры, подложки и теплораспределители — играют все более центральную роль. Среди новых материалов внимание привлекли решения на основе углерода и широкозонные полупроводники, при этом подложка из SiC (подложка из карбида кремния) демонстрирует уникальный потенциал благодаря высокой теплопроводности, механической прочности и термической стабильности.

Термический путь CoWoS: понимание проблемы

Пакет CoWoS состоит из нескольких слоев, через которые должно проходить тепло. Тепло, выделяемое активными кристаллами, сначала распространяется вбок через интерпозер, затем перемещается вертикально через подложку и, наконец, достигает внешней системы охлаждения. Каждый слой вносит термическое сопротивление, которое может привести к образованию горячих точек, если не управлять ими должным образом.

В традиционном CoWoS на основе кремния интерпозер проводит тепло умеренно хорошо, но ограничения по толщине и материалу ограничивают его эффективность. По мере того, как архитектуры чиплетов становятся плотнее, горячие точки увеличиваются, а термические градиенты могут вызывать механическое напряжение. В таких условиях материалы, такие как подложка из SiC, могут улучшить боковое распространение тепла и снизить риск термической деформации, преодолевая критический разрыв в терморегулировании на уровне системы.

Кремниевые интерпозеры: сильные стороны и ограничения

Кремниевые интерпозеры широко используются в CoWoS благодаря зрелым процессам изготовления, совместимости с межсоединениями с мелким шагом и электрическим характеристикам. Для приложений с низкой и умеренной мощностью кремниевые интерпозеры работают хорошо, обеспечивая точную маршрутизацию сигналов и механическую поддержку.

Однако, когда CoWoS масштабируется до приложений с высокой мощностью, становятся очевидными ограничения:

• Локализованные горячие точки снижают производительность и надежность.

• Несоответствие теплового расширения между кремниевым интерпозером и кристаллами высокой мощности может вызывать напряжение и деформацию.

• Ограничения по толщине ограничивают способность интерпозера эффективно рассеивать тепло.

Эти проблемы показывают, почему для поддержания производительности и надежности в системах CoWoS следующего поколения необходимы альтернативные или дополнительные материалы, такие как подложка из SiC.

Расширение палитры тепловых материалов

Удовлетворение тепловых потребностей упаковки CoWoS высокой плотности требует выхода за рамки кремния. Инженеры-материаловеды сейчас сосредоточены на нескольких подходах:

1. Усовершенствованные теплораспределители: Медь или медно-молибденовые композиты могут снизить локальное термическое сопротивление, но они часто вызывают механическое несоответствие.

2. Высокопроизводительные термоинтерфейсные материалы (TIM): Снижают контактное сопротивление, но не могут преодолеть фундаментальные ограничения материалов.

3. Керамика и широкозонные материалы: Такие материалы, как подложка из SiC, сочетают в себе высокую теплопроводность с механической прочностью и химической стабильностью, что делает их идеальными для приложений CoWoS с высокой мощностью и высокой плотностью.

Стратегически интегрируя эти материалы, становится возможным создать пакет CoWoS, в котором каждый слой играет четко определенную роль в терморегулировании, а не полагается исключительно на внешнее охлаждение.

Подложка из карбида кремния: функциональные роли в CoWoS

Подложка из SiC предлагает несколько преимуществ по сравнению с обычным кремнием для терморегулирования в пакетах CoWoS:

• Высокая теплопроводность: Облегчает боковое и вертикальное распространение тепла, минимизируя горячие точки.

• Низкий коэффициент теплового расширения (CTE): Снижает механическое напряжение во время термических циклов.

• Механическая прочность: Поддерживает стабильность размеров в тонких и больших пластинах.

• Химическая стабильность: Совместимость с агрессивной высокотемпературной обработкой и длительной эксплуатацией.

В практических приложениях подложка из SiC может выполнять несколько ролей:

• В качестве высокопроизводительного интерпозера, заменяющего или дополняющего кремниевые слои.

• В качестве встроенного теплораспределяющего слоя под кристаллами высокой мощности.

• В качестве структурного слоя для стабилизации пакета и предотвращения деформации под термическим напряжением.

Эти роли позволяют интерпозеру и подложке функционировать как единая термическая и механическая платформа, а не только как слой электрических межсоединений.

Влияние тепловых материалов на уровне системы

Материалы для терморегулирования влияют не только на рассеивание тепла — они определяют общую архитектуру системы. Включив подложка из SiC или аналогичные передовые материалы, разработчики могут добиться:

• Более высокой устойчивой производительности при непрерывной работе с высокой мощностью.

• Снижения термических градиентов, повышения надежности и снижения частоты отказов.

• Более компактных многокристальных модулей и гетерогенной интеграции, обеспечивающих инновационные конструкции в ускорителях ИИ и высокопроизводительных вычислениях.

Другими словами, тепловые материалы теперь действуют как факторы, обеспечивающие, а не ограничивающие. Решения, принятые на уровне материалов, влияют на компоновку пакета, размещение чиплетов и, в конечном итоге, на производительность всей системы.

Вопросы производства подложки из SiC в CoWoS

Хотя подложка из SiC предлагает значительные преимущества, ее интеграция в пакеты CoWoS требует тщательного рассмотрения:

• Тончение пластин: SiC тверже кремния, что делает прецизионное тончение сложной задачей.

• Формирование сквозных отверстий: Сквозные отверстия через SiC требуют передовых методов травления или лазерной обработки.

• Металлизация: Достижение прочной, надежной адгезии металла на SiC требует барьерных и адгезионных слоев, адаптированных к высокотемпературной работе.

• Контроль дефектов: Большие пластины SiC для CoWoS 12 дюймов должны поддерживать однородность и низкую плотность дефектов для обеспечения выхода годных изделий.

Эти задачи нетривиальны, но преодолимы. Решения в области контроля технологических процессов, контроля и обработки материалов позволяют использовать подложку из SiC в высокопроизводительных приложениях CoWoS.

К архитектурам CoWoS, ориентированным на материалы

Эволюция CoWoS предполагает, что передовая упаковка будет все больше ориентирована на материалы. Электрическая связь остается важной, но термические и механические свойства теперь играют не менее важную роль. Интегрируя подложка из SiC, пакеты CoWoS могут поддерживать более высокую плотность мощности, снижать риск термических отказов и обеспечивать сложные гетерогенные интеграционные архитектуры.

Этот сдвиг также подчеркивает более широкую тенденцию в упаковке полупроводников: материаловедение, машиностроение и проектирование на уровне системы сходятся. Будущие пакеты CoWoS будут определяться как выбором тепловых материалов, так и шагом межсоединений или размером кристалла.

Заключение

Материалы для терморегулирования CoWoS больше не являются периферийными — они определяют рабочий диапазон современных высокопроизводительных систем. Традиционные кремниевые слои достигают своих термических пределов, а инновационные материалы, такие как подложка из SiC, обеспечивают новые пути для распространения тепла, механической стабильности и долгосрочной надежности.

Отдавая приоритет инновациям и интеграции на уровне материалов, разработчики CoWoS могут раскрыть более высокую производительность, более плотные архитектуры и надежную работу в сложных условиях. По мере того, как плотность мощности продолжает расти, подложка из SiC станет ключевым фактором, обеспечивающим технологию CoWoS следующего поколения, преодолевая разрыв между материаловедением и производительностью на уровне системы.