Una solución para la disipación de calor de chips empaquetados en 3D

A medida que la industria se mueve hacia el empaque 3D y continúa escalando la lógica digital, los crecientes desafíos térmicos están superando los límites de la investigación y el desarrollo.Demasiado calor en un espacio pequeño puede causar problemas reales, como que los productos estén demasiado calientes para sostenerlos.La DRAM sobrecalentada debe actualizarse constantemente debido a las pérdidas de energía y confiabilidad, lo que hace que el chip esté aún más estresado en industrias de alta temperatura como la automotriz.

En condiciones ideales, el chip sería de cobre y el sustrato sería 100% cobre.Incluso si eso fuera posible, el chip no ganaría más rendimiento debido a algún otro factor limitante en el paquete.

Las preocupaciones térmicas se están convirtiendo en una decisión temprana de diseño y empaque en empaques 2.5D y 3D.La disipación de calor es una de las cuestiones clave que deben tenerse en cuenta, tanto en términos de memoria como de lógica en la pila lógica.

En la búsqueda de soluciones, la microfluídica y los materiales de interfaz térmica (TIM) surgieron como áreas clave de desarrollo.Para disipar el calor, se puede conectar un enfriador de líquido directamente al chip o se pueden construir canales en el propio chip.En el lado TIM se utiliza epoxi plata sinterizada.

La microfluídica puede pasar pronto a la producción.Comenzará a aparecer en lugares súper exóticos, especialmente si comienza a hacer lógica de alto rendimiento apilada.Si no se toman medidas de enfriamiento, la lógica de la pila se limitará a la disipación de calor de un solo chip.Hay un gran impulso económico para abordar estos problemas.

Durante los últimos 40 años, la microfluídica comercial ha estado al alcance.La idea de incrustar líquidos en canales de micro/nanoescala para enfriar semiconductores se describió por primera vez en un artículo ahora clásico.Se han probado varias variantes desde 1981, y ahora algunos proyectos muestran una promesa de enfriamiento real y práctica.Desde un punto de vista térmico, esta es una solución de refrigeración muy interesante, ya que el refrigerante puede ubicarse lo más cerca posible de la fuente de calor, y en esta configuración se eliminan varias barreras térmicas.Una versión funcional del objetivo de microfluidos integra canales directamente en el chip, en lugar de depender de TIM o enlaces.Este último ha desestabilizado el mercado comercial debido a problemas de confiabilidad.esto es disruptivo solución de enfriamiento eso requiere un diseño conjunto ajustado entre las estructuras de los canales de fluidos y la electrónica para aprovechar todo el potencial de este método de enfriamiento.Es ideal para aplicaciones desafiantes con densidades de potencia extremadamente altas.Para aplicaciones CMOS con densidades de potencia en el rango de cientos de W/cm⊃2;, se pueden usar bloques de enfriamiento separados con diámetros de canal más relajados de varios cientos de µm.

Hay dos tipos principales de arquetipos.Uno es un enfriador de microcanales de silicio, y el principal desarrollo es la unión al chip con baja resistencia térmica.El otro es el enfriamiento líquido directo en el chip utilizando geometrías de enfriamiento impresas en 3D de formas complejas.

El enfriador se une al chip utilizando el conocimiento de la unión de oblea a oblea con una resistencia térmica muy baja de menos de 1 mm 2 -K/W.Utilice unión por fusión, unión por óxido o unión por metal en lugar de materiales de interfaz térmica.Una gran ventaja del procesamiento de semiconductores es que se pueden hacer líneas muy finas con tolerancias estrechas.

A menudo se requiere un anillo de refuerzo para compensar la ausencia de una tapa para la integridad mecánica del paquete.Si los pasajes son demasiado pequeños, la caída de presión que empuja el refrigerante será demasiado alta.Y el volumen de líquido es finito.Las razones principales de la adopción lenta son los problemas de confiabilidad (fugas), los requisitos de mantenimiento y la complejidad del sistema.Una presión más alta es una desventaja potencial, pero no es un obstáculo.

Divida los métodos comerciales de refrigeración líquida en cuatro tipos distintos.

Refrigeradores atornillables, la tecnología más avanzada disponible en los centros de datos.El placa de enfriamiento se sienta encima de la tapa en lugar del radiador.TIM se usa arriba y abajo.

El enfriador está unido directamente al chip con solo una capa de material de interfaz térmica.Algunos lugares están comenzando a adoptar esta configuración.

Refrigeración trasera Este diseño solo se ha propuesto en estudios y permite que el refrigerante esté más cerca de la fuente de calor.En lugar de unir, utiliza un fluido dieléctrico que está en contacto directo con el chip.Hay una conexión vertical entre el líquido y el chip.Por lo tanto, se evitan los problemas de gradiente térmico de los diseños laterales.

El enfriamiento en el chip implica la inclusión de refrigerante dentro de los canales integrados en el chip.Si bien proporciona la mejor refrigeración, un desafío potencial es que puede que no haya suficiente espacio para los canales de tono más bajo.

Además, un prototipo de envase refrigerado internamente, creado con tecnología 3D y fabricado en cerámica alúmina.Utiliza tecnología de película gruesa para la metalización superior y se le conectarán múltiples FET de SiC.El óxido de aluminio ya es un óxido y el cobre se oxida fácilmente, por lo que la combinación de estos dos óxidos es la forma en que se forma esta interfaz.Actualmente, esta es la forma más económica de fabricar módulos de potencia a partir de cerámica, lo que reduce los costos.El sustrato de metal aislado (IMS) es básicamente como cualquier tecnología de fabricación de PCB, pero utiliza cobre pesado.Si bien la mayoría de los cobres para PCB contienen de 0,25 a 0,5 onzas de cobre, se acercan a las 3 o 4 onzas.Esto es algo más rentable que la alúmina con la misma huella.

Aunque las dimensiones del prototipo son más gruesas que las de los sustratos típicos, lo que hace que esta estructura rectangular sea especial es que tiene canales que la atraviesan, con orificios de salida en sus lados más cortos.Cuando se enciende al ciclo de trabajo completo, el módulo disipa una gran cantidad de calor.¿Cómo deshacerse del calor?Se envía un refrigerante a través del canal, como aire frío, refrigerante de nitrógeno o alguna otra sustancia fría.A medida que corre el refrigerante, se enfría.

Tanto el enfriador empernado como el enfriador de enlace directo descritos anteriormente utilizan un TIM para optimizar la transferencia de calor entre el chip y el enfriador, al igual que muchas otras configuraciones.Los TIM usan una variedad de materiales que incluyen grasa térmica, rellenos de huecos, materiales de hardware aislantes, materiales de cambio de fase y epoxis termoconductores como óxido de aluminio, nitruro de aluminio y óxido de berilio.

Sin embargo, resulta que muchos TIM no son tan eficientes como sugeriría su uso generalizado.A medida que aumenta el rendimiento de la refrigeración líquida, los materiales de interfaz térmica se convierten en un cuello de botella térmico importante.Los integradores de sistemas tienen muchas preguntas sobre cómo reemplazar los TIM con materiales de mejor rendimiento y cuáles son los riesgos de confiabilidad.

El desafío era encontrar un material que tuviera una conductividad térmica muy alta y al mismo tiempo fuera tan flexible que pudiera seguir la topología de diferentes componentes.

En general, la mayoría de los materiales con buena conductividad eléctrica también son muy rígidos, por lo que no solo no se adaptarán, sino que agregarán tensión.Ningún material por sí solo tiene estas propiedades, por lo que uno tuvo que diseñarse mediante la fabricación de compuestos.Ahora se pueden agregar partículas termoconductoras en el interior para mejorar la conductividad térmica.Puede haber materiales compuestos.Incluso podría haber nanotubos de carbono o láminas de grafeno.Ha habido mucho progreso en esa área en particular.

Dada la urgente necesidad de nuevos materiales, debemos respetar la importancia de los avances en la ciencia de los materiales para resolver problemas térmicos.La industria todavía tiene un largo camino por recorrer para encontrar materiales que sean flexibles, confiables y económicos.

Se están explorando muchos TIM diferentes que no se basan en polímeros.Por ejemplo, el resultado de la sinterización de plata es una matriz de aleación de plata muy dura y de alta conductividad térmica entre la tapa y el molde.Otro ejemplo son los materiales metálicos más blandos.Cuando la confiabilidad y otras ventajas no están ahí, los materiales de cambio de fase de los que se habló a menudo hace unos años parecen haber desaparecido.

Para disipar la energía en paquetes flip-chip, los epoxis de plata sinterizados exhiben un mejor rendimiento térmico, por lo que las personas usan epoxis sin presión (como Atrox) o sinterizados a presión (Argomax).En el enfoque de flip-chip, el disipador de calor es un diseño de cobre niquelado que hace contacto con la parte posterior del chip con un material de interfaz térmica (TIM) en la interfaz.Otras innovaciones utilizan múltiples cables en la parte posterior del chip, que luego se conectan al plano de tierra de la PCB para mejorar la disipación de calor.El cobre sigue siendo la mejor interfaz térmica y es muy rentable.

Esta es una de las motivaciones para trabajar en microfluídica si existe una forma que elimine por completo la necesidad de un TIM.Las soluciones de refrigeración alternativas pueden evitar el uso de materiales de interfaz.Al acercarse al chip se eliminan estos materiales.Mejore los materiales o deséchelos.

El resultado de estos desafíos es que abordar los problemas del calor está aumentando cada vez más en la lista de prioridades presupuestarias.Los clientes a menudo se sorprenden de tener que gastar gran parte de su presupuesto en energía térmica.Todo viene con mucha complejidad.Trate algo nuevo y, por lo general, no lo adopte hasta que se demuestre su eficacia y se resuelvan todos los problemas de responsabilidad.Muchos clientes se están dando cuenta de esto y comienzan a producir productos con ingeniería, habilidad y experiencia más avanzadas.