Hvorfor chipindpakningen er blevet afgørende for varmehåndtering

Når transistorantallet stiger, og chippen bruger mere strøm på mindre plads, bliver varme ikke længere et problem, der kan løses til sidst i produktudviklingen. Selve indpakningen omkring chippen er blevet en aktiv del af den termiske konstruktion.

Huatian Technology oplyser, at virksomheden har opbygget kapacitet til at designe og simulere den termiske adfærd gennem hele processen for fan-out packaging. Målet er at tage højde for varmeudviklingen allerede ved valg af materialer og pakkestruktur – ikke først efter samlingen. 8

Den centrale idé i fan-out panel-level packaging, eller FOPLP, er at skabe en mere direkte og kontrollerbar varmevej fra chippen til pakken, printkortet og den eksterne køleløsning. Det kan være en fordel i systemer med høj effekttæthed, men FOPLP er ikke i sig selv et bevis på bedre termisk ydeevne i alle anvendelser.

Derfor er pakkens termiske design kritisk

Når mere beregningskraft samles på et mindre die-areal, skal mere varme fjernes fra et mere koncentreret område. Chippenes junction-temperatur bestemmes derfor ikke kun af selve siliciumet. Den afhænger af hele varmevejen gennem blandt andet die attach, mold compound, metalforbindelser, RDL-lagene, pakkens overflade, PCB’et, termiske interface-materialer, heatsink og luftstrøm.

Hvis denne vej har høj termisk modstand eller skaber hotspots, kan chippen arbejde ved en højere temperatur og få mindre pålidelighedsmargin. Gentagen termisk belastning kan desuden bidrage til problemer som udmattelse af forbindelser, delaminering, forskelle i termisk udvidelse og warpage – altså uønsket deformation af pakken.

Hvad er begrænsningerne ved SOP, QFP og QFN?

Traditionelle kapslingstyper som SOP og QFP leder ofte en stor del af varmen gennem benene og leadframen. Det kan give en længere og mere begrænset varmevej. Huatian sammenligner derfor disse arkitekturer med FOPLP, som kan designes uden et konventionelt substrat og med en kortere varmevej. 6

QFN kræver dog en mere nuanceret vurdering. En QFN med exposed pad eller en power-QFN kan etablere en effektiv termisk forbindelse ned til printkortet. Hvor god løsningen er, afhænger blandt andet af leadframe-geometrien, thermal pad, kobberarealet, vias og PCB’ets evne til at sprede varmen.

Det er derfor ikke korrekt at betragte alle QFN-pakker som termisk utilstrækkelige. De kan være velegnede ved bestemte effektniveauer, mens deres begrænsninger bliver tydeligere, når effekttætheden og kølekravene stiger.

Sådan kan FOPLP hjælpe

I fan-out packaging føres chippenes forbindelser ud over die-området gennem redistribution layers, RDL, i stedet for udelukkende at være afhængige af et traditionelt pakkesubstrat. Det kan understøtte højere forbindelsestæthed og lavere induktans end visse traditionelle arkitekturer. 4

En FOPLP-konstruktion forbindes typisk med:

• ingen konventionelt package-substrat,
• høj I/O-tæthed,
• en tynd profil,
• RDL-lag, der både kan bruges til elektriske forbindelser og potentielt til varmespredning,
• mulighed for at optimere materialer og geometri samlet.

Fraunhofer IZM beskriver fan-out som en substratløs pakke med potentiale for betydelig miniaturisering og lav termisk modstand. TSMC’s InFO-teknologi viser samtidig, hvordan RDL med høj tæthed kan anvendes i mobile løsninger og high-performance computing. 1213

Men en tynd pakke og høj I/O-tæthed giver ikke automatisk bedre varmehåndtering. Resultatet afhænger af, om kobberføringerne, mold compound, bagsiden af die, heat spreader og PCB’et tilsammen danner en effektiv varmevej.

Mobile enheder, biler og datacentre har forskellige behov

Fan-out packaging er allerede taget i brug i mobile og trådløse anvendelser og bevæger sig også ind i automotive- og medicinske systemer. 1 Platforme med høj fan-out-tæthed er desuden målrettet mobile produkter og high-performance computing. 13

Den termiske værdi af FOPLP ser dog forskellig ud fra system til system:

• Mobile enheder: Her er lav tykkelse og effektiv varmespredning i et kompakt kabinet afgørende. Der er ofte begrænset plads til en stor heatsink.
• Automotive-elektronik: Pakken skal kunne holde til gentagne termiske cyklusser og store temperaturudsving over lang tid.
• High-performance computing: Den samlede effekt er langt højere. Pakken kan derfor have brug for et lid, en cold plate eller anden ekstern køleinfrastruktur. FOPLP erstatter ikke systemets samlede termiske design.

RθJC er ikke det samme som ΨJT og ΨJB

En vigtig faldgrube er at blande termisk modstand sammen med termiske karakteriseringsparametre. JEDEC’s målemetoder giver kun meningsfulde resultater, når de konkrete testbetingelser tages med i vurderingen.

En termisk modstand, θ, beskriver en defineret varmevej under bestemte randbetingelser. RθJC beskriver eksempelvis junction-to-case-vejen, når varmen bevidst ledes mod pakkens overflade – som ved en test med termisk plade eller heatsink.

I et almindeligt system på et printkort fordeler varmen sig derimod mellem pakkens top, PCB’et, loddekugler eller ben og den omgivende luft. Testbetingelserne for RθJC svarer derfor ikke nødvendigvis til varmefordelingen i den virkelige anvendelse.

Formlen:

Tj = Tc + P × RθJC

bør derfor ikke bruges som en generel metode til at beregne driftstemperaturen. Texas Instruments fremhæver, at ΨJT og ΨJB ofte er mere praktiske til at estimere junction-temperaturen i moderne, printkortmonterede løsninger. 13

Når måleopstillingen passer til anvendelsen, kan ingeniører bruge relationer som:

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

ΨJT og ΨJB er ikke fundamentale, endimensionelle termiske modstande. De er karakteriseringsparametre, som afhænger af opstillingen, målingen og det system, hvor de anvendes.

Hvad indebærer Huatian Technologys ”full-process”-tilgang?

Ifølge virksomhedens egen beskrivelse omfatter tilgangen materialevalg, ledningsføring og pakkestruktur. Huatian bruger multiphysics-simuleringer til at forbedre varmeafledningen og den langsigtede pålidelighed. 8

På ingeniørniveau bør en sådan proces blandt andet omfatte:

• valg af mold compound, die-attach-materialer og termiske interface-materialer,
• dimensionering og placering af kobber-RDL, der kan sprede varme,
• identifikation og begrænsning af hotspots,
• samlet analyse af varmeledning og elektriske effekttab,
• kontrol af warpage og forskelle i materialernes termiske udvidelse,
• vurdering af materialetræthed under termiske cyklusser.

De store og tynde strukturer i panel-level packaging gør den termomekaniske analyse særlig vigtig. Studier af FOPLP har undersøgt materialernes adfærd og ændringer i deformation under afkøling, mens warpage og die-shift fortsat er kendte udfordringer for pålideligheden. 3

Hvad er den reelle konklusion?

FOPLP giver Huatian mulighed for at håndtere varme allerede på arkitekturniveau. Ved at fjerne unødvendige strukturelle lag, bruge RDL til tæt integration og mulig varmespredning samt optimere materialer og geometri samlet kan virksomheden potentielt skabe en kortere og mere kontrollerbar varmevej. Det stemmer overens med de generelle fordele, der forbindes med fan-out packaging. 812

Det dokumenterer dog ikke i sig selv en bestemt termisk forbedring i et Huatian-produkt. I det tilgængelige materiale har virksomheden ikke offentliggjort uafhængigt verificerede tal for termisk modstand, junction-temperatur eller levetid.

Den afgørende vurdering bør derfor baseres på målte junction-temperaturer og pålidelighedsresultater under de faktiske anvendelsesforhold: det konkrete PCB, effektfordelingen, kølegrænsen, luftstrømmen og profilen for termiske cyklusser.

Det rigtige spørgsmål er dermed ikke kun, hvad en pakkes RθJC er. Det er, om hele systemet kan holde chippen inden for dens temperaturgrænser gennem hele produktets levetid.