Proč se chlazení čipů přesouvá do samotného pouzdra

Růst počtu tranzistorů a spotřeby energie mění pouzdro čipu z pouhé ochranné vrstvy na aktivní součást tepelného návrhu. Huatian Technology uvádí, že vybudovala schopnost navrhovat a simulovat tepelné chování v celém procesu fan-out packagingu. Cílem je řešit odvádění tepla už na začátku návrhu, nikoli až po dokončení montáže. 8

Základní příslib technologie fan-out panel-level packaging (FOPLP) spočívá v kratší a lépe kontrolovatelné cestě tepla od čipu přes pouzdro a desku plošných spojů až k chladiči. To může pomoci zařízením s vysokou hustotou výkonu. Samotné použití FOPLP však ještě není důkazem lepších tepelných parametrů v každé aplikaci.

Proč je tepelný návrh pouzdra stále důležitější

S rostoucím výpočetním výkonem se více tepla soustřeďuje na menší ploše čipu. Teplota přechodu, tedy teplota v aktivní části polovodiče, proto nezávisí pouze na křemíku. Rozhoduje celá tepelná cesta: uchycení čipu a zalévací hmota, kovové vrstvy pro rozvedení spojů (RDL), povrch pouzdra, deska plošných spojů, materiály tepelného rozhraní, chladič i proudění vzduchu.

Pokud má tato cesta vysoký tepelný odpor nebo vytváří lokální horká místa, může zařízení pracovat při vyšší teplotě a s menší rezervou spolehlivosti. Tepelné namáhání se může projevit také únavou spojů, oddělováním vrstev materiálů, rozdílnou tepelnou roztažností a deformacemi.

Limity pouzder SOP, QFP a QFN

Tradiční pouzdra SOP a QFP odvádějí značnou část tepla prostřednictvím vývodů a kovového rámečku. Tepelná cesta tak bývá delší a více omezená. Huatian tuto architekturu porovnává s FOPLP, které je navrženo bez klasického substrátu a s kratší tepelnou cestou. 6

U pouzder QFN je ale nutné být přesnější. Varianta QFN s odhalenou tepelnou ploškou nebo power-QFN může odvádět teplo do desky velmi účinně. Limity závisí na geometrii rámečku, tepelné plošce, ploše mědi, počtu prokovů a schopnosti desky teplo rozptýlit. Není proto správné označovat všechna QFN za tepelně nedostatečná. Jejich vhodnost závisí na výkonu čipu i na konkrétním systému.

V čem může FOPLP pomoci

U fan-out pouzdra jsou vývody čipu rozvedeny směrem ven prostřednictvím vrstev RDL namísto spoléhání na klasický substrát. Tento přístup podporuje vyšší hustotu propojení a u některých tradičních architektur také nižší parazitní indukčnost. 4

Architektura FOPLP obvykle kombinuje:

• absenci klasického substrátu pouzdra,
• vysokou hustotu vstupů a výstupů,
• tenký profil,
• RDL, které slouží k elektrickému propojení a může se podílet i na rozvodu tepla,
• společnou optimalizaci materiálů a geometrie.

Fraunhofer IZM popisuje fan-out jako pouzdro bez substrátu s potenciálem výrazné miniaturizace a nízkého tepelného odporu. Technologie InFO od TSMC zase ukazuje, jak lze vysokohustotní RDL využít v mobilních zařízeních a při vysoce výkonném počítání. 1213

Menší tloušťka a vysoká hustota I/O však automaticky neznamenají lepší tepelné chování. Rozhodující je, zda kovové spoje, zalévací hmota, zadní strana čipu, rozvaděč tepla a deska skutečně vytvoří účinnou tepelnou cestu.

Jiné požadavky pro mobily, automobily a HPC

Fan-out pouzdra se již používají v mobilních a bezdrátových aplikacích a jejich využití se rozšiřuje také do automobilové elektroniky a zdravotnických systémů. 1 Platformy s vysokou hustotou fan-out jsou určeny rovněž pro mobilní zařízení a vysoce výkonné počítání. 13

Tepelný přínos FOPLP se ale liší podle použití:

• Mobilní zařízení: Prioritou je nízká tloušťka a rozptýlení tepla v omezeném prostoru těla telefonu, obvykle bez velkého chladiče.
• Automobilová elektronika: Pouzdro musí zvládnout opakované teplotní cykly a výrazné změny okolní teploty.
• Vysoce výkonné počítání: Celkový výkon je mnohem vyšší. Pouzdro proto může potřebovat víko, chladicí desku nebo jinou externí infrastrukturu. FOPLP samo o sobě nenahrazuje tepelný návrh celého systému.

Tepelný odpor není totéž co charakterizační parametr

Měření podle standardů JEDEC má smysl pouze ve spojení s konkrétními podmínkami testu. Tepelný odpor θ popisuje definovanou cestu toku tepla. Charakterizační parametry Ψ naproti tomu slouží ke spojení teploty přechodu s měřitelnou teplotou na horní straně pouzdra nebo na desce.

Například RθJC charakterizuje cestu od přechodu ke skříni pouzdra v situaci, kdy je teplo záměrně odváděno přes povrch pouzdra, například pomocí tepelné desky nebo chladiče. Neodpovídá proto automaticky toku tepla na skutečné desce plošných spojů, kde se výkon rozděluje mezi horní část pouzdra, desku, kuličky či vývody a okolní prostředí.

Proto nelze vztah

Tj = Tc + P × RθJC

automaticky používat jako obecný odhad provozní teploty. Texas Instruments upozorňuje, že pro moderní součástky osazené na desce mohou být praktičtější charakterizační parametry ΨJT a ΨJB. 13 Pokud odpovídají podmínky měření, lze použít například vztahy:

Tj ≈ Ttop + P × ΨJT
Tj ≈ Tboard + P × ΨJB

Parametry ΨJT a ΨJB nejsou základní jednorozměrné tepelné odpory. Jde o charakterizační parametry závislé na uspořádání, způsobu měření a systému, ve kterém jsou použity.

Co v praxi znamená „full-process“ schopnost Huatian

Podle popisu společnosti její přístup zahrnuje výběr materiálů, návrh propojení a konstrukci pouzdra. Pomocí vícefyzikálních simulací chce zlepšovat odvod tepla i dlouhodobou spolehlivost. 8

Z pohledu konstrukce by takový proces měl zahrnovat zejména:

• výběr zalévací hmoty, materiálu pro uchycení čipu a materiálů tepelného rozhraní,
• návrh tloušťky a umístění měděných vrstev RDL pro rozvod tepla,
• identifikaci a omezení lokálních horkých míst,
• společnou analýzu vedení tepla a elektrických ztrát,
• kontrolu deformací a rozdílů v koeficientu tepelné roztažnosti,
• vyhodnocení únavy během teplotních cyklů.

Velké a tenké struktury panel-level packagingu zvyšují význam termomechanické analýzy. Studie FOPLP zkoumaly chování materiálů i změny deformace při ochlazování. Deformace a posun čipu přitom zůstávají známými výzvami pro spolehlivost. 3

Klíčový závěr: rozhodnou měření, ne samotný název technologie

FOPLP dává Huatian možnost řešit teplo již na úrovni architektury pouzdra: odstranit zbytečné konstrukční vrstvy, využít RDL pro husté propojení a potenciální rozvod tepla a optimalizovat materiály i geometrii ještě před dokončením pouzdra. Jde o rozumné očekávané výhody technologie, které odpovídají širšímu vývoji fan-out packagingu. 812

Tyto výhody však samy o sobě nedokazují konkrétní tepelné zlepšení u produktu Huatian. Ve veřejně dostupných materiálech nejsou nezávisle ověřené hodnoty tepelného odporu, teploty přechodu ani životnosti.

Smysluplné hodnocení proto musí vycházet z naměřených teplot přechodu a výsledků zkoušek spolehlivosti v reálných podmínkách použití: s konkrétní deskou, rozložením výkonu, limity chlazení, prouděním vzduchu a profilem teplotních cyklů. Správná otázka nezní pouze „jaké je RθJC pouzdra?“, ale zda celý systém udrží čip v povoleném teplotním rozsahu po celou dobu jeho životnosti.