Cách giải quyết vấn đề nhiệt của bao bì chip
Chip đóng gói tiên tiến không chỉ đáp ứng nhu cầu điện toán hiệu năng cao, trí tuệ nhân tạo, tăng trưởng mật độ năng lượng, v.v. mà còn làm phức tạp thêm các vấn đề tản nhiệt của bao bì tiên tiến. Bởi vì một điểm nóng trên chip có thể ảnh hưởng đến sự phân bổ nhiệt của các chip liền kề. Tốc độ kết nối giữa các chip trong mô-đun cũng chậm hơn so với SoC.
Các kỹ sư đang tìm kiếm những cách hiệu quả để tản nhiệt từ các mô-đun phức tạp. Việc đặt nhiều chip cạnh nhau trong cùng một gói có thể giảm bớt các vấn đề về nhiệt, nhưng khi công ty đi sâu hơn vào việc xếp chồng chip và đóng gói dày đặc hơn để cải thiện hiệu suất và giảm điện năng, họ đang phải đối mặt với một loạt vấn đề mới liên quan đến nhiệt.
Diện tích đóng gói BGA lật phổ biến hiện nay với CPU và HBM là khoảng 2500 mm vuông. Chúng ta thấy rằng một con chip lớn có thể trở thành bốn hoặc năm con chip nhỏ. Vì vậy cần phải có nhiều I/O hơn để các chip này có thể giao tiếp với nhau. Vì vậy, bạn có thể phân phối nhiệt. Trên thực tế, một số thiết bị phức tạp đến mức khó có thể dễ dàng thay thế các thành phần để tùy chỉnh các thiết bị này cho các ứng dụng hiện trường cụ thể. Đây là lý do tại sao nhiều sản phẩm đóng gói tiên tiến được sử dụng cho các linh kiện có số lượng rất lớn hoặc có độ co giãn về giá, chẳng hạn như chip máy chủ.
Trong quá trình thiết kế, người thiết kế mạch có thể có khái niệm về mức công suất của các chip khác nhau được đặt trong mô-đun, nhưng có thể không biết liệu các mức công suất này có nằm trong phạm vi độ tin cậy hay không. Do đó, các kỹ sư đang tìm kiếm các phương pháp mới để tiến hành phân tích nhiệt độ tin cậy của bao bì trước khi sản xuất mô-đun đóng gói. Thông qua mô phỏng nhiệt, chúng ta có thể hiểu cách truyền nhiệt thông qua chip silicon, bảng mạch, chất kết dính, TIM hoặc vỏ bao bì, đồng thời sử dụng các phương pháp tiêu chuẩn như chênh lệch nhiệt độ và chức năng công suất để theo dõi các giá trị nhiệt độ và điện trở.
Mô phỏng nhiệt là phương pháp tiết kiệm nhất để khám phá việc lựa chọn và kết hợp vật liệu. Bằng cách mô phỏng các chip ở trạng thái hoạt động, chúng ta thường phát hiện ra một hoặc nhiều điểm nóng, vì vậy chúng ta có thể thêm đồng vào đế bên dưới các điểm nóng để tạo điều kiện tản nhiệt; Hoặc thay đổi chất liệu bao bì và lắp thêm tản nhiệt.
Trong bao bì, hơn 90% nhiệt lượng bị tiêu tán từ đỉnh chip đến tản nhiệt thông qua bao bì, thường là một cánh tản nhiệt thẳng đứng làm từ nhôm oxit anod hóa. Một vật liệu giao diện nhiệt (TIM) có độ dẫn nhiệt cao được đặt giữa chip và gói để giúp truyền nhiệt. TIM thế hệ tiếp theo dành cho CPU bao gồm các hợp kim tấm kim loại (chẳng hạn như indium và thiếc), cũng như thiếc thiêu kết bạc, có độ dẫn điện lần lượt là 60W/mK và 50W/mK.
Khái niệm ban đầu về bao bì tiên tiến là nó sẽ hoạt động giống như các khối xây dựng LEGO - các con chip được phát triển ở các nút quy trình khác nhau có thể được lắp ráp lại với nhau và các vấn đề về nhiệt sẽ được giảm bớt. Nhưng điều này phải trả giá. Từ góc độ hiệu suất và công suất, khoảng cách mà tín hiệu cần truyền là rất quan trọng và mạch luôn mở hoặc cần mở một phần, điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất nhiệt. Việc chia chip thành nhiều phần để tăng sản lượng và tính linh hoạt không đơn giản như người ta tưởng. Mỗi kết nối trong bao bì phải được tối ưu hóa và các điểm phát sóng không còn bị giới hạn ở một con chip duy nhất.
Các công cụ mô hình hóa ban đầu có thể được sử dụng để loại trừ các tổ hợp chip khác nhau, mang lại động lực lớn cho các nhà thiết kế các mô-đun phức tạp. Trong thời đại mật độ năng lượng ngày càng tăng này, mô phỏng nhiệt và giới thiệu TIM mới vẫn sẽ rất cần thiết.
