Warum die Chipverpackung zum Kühlproblem wird – und was Huatian mit FOPLP plant

Die Chipverpackung war lange vor allem dafür zuständig, den Halbleiter zu schützen und seine Anschlüsse nach außen zu führen. Mit steigender Transistordichte und höherer Leistungsaufnahme verändert sich diese Rolle: Das Package wird zu einem aktiven Bestandteil des Wärmemanagements.

Huatian Technology gibt an, für seine Fan-Out-Packaging-Technologien eine durchgängige thermische Design- und Simulationskompetenz aufgebaut zu haben. Wärme soll demnach bereits bei der Auswahl der Materialien, der Verdrahtung und der Gehäusestruktur berücksichtigt werden – nicht erst nach der Montage des Chips. 8

Warum die thermische Auslegung des Packages entscheidend ist

Immer mehr Rechenleistung konzentriert sich auf eine kleinere Die-Fläche. Dadurch entsteht mehr Wärme in einem begrenzteren Bereich, während die Temperatur des Halbleiters von einem immer komplexeren Wärmeweg abhängt.

Dieser Weg führt unter anderem durch den Die-Attach, das Mold Compound, die metallischen Redistribution Layers (RDL), die Gehäuseoberfläche, das PCB, thermische Schnittstellenmaterialien, einen möglichen Kühlkörper und schließlich die Umgebungsluft. Schon ein einzelnes schlecht leitendes oder geometrisch ungünstiges Element kann den Wärmetransport behindern und Hotspots begünstigen.

Eine höhere Sperrschichttemperatur verringert das Zuverlässigkeitsbudget des Bauteils. Gleichzeitig können wiederholte Temperaturwechsel unter anderem die Ermüdung von Verbindungen, Delamination, thermische Ausdehnung und Verformung beschleunigen.

Wo klassische SOP-, QFP- und QFN-Gehäuse an Grenzen stoßen

Bei traditionellen Gehäusen wie SOP und QFP wird ein großer Teil der Wärme über Anschlüsse und Leadframes abgeführt. Dadurch entsteht häufig ein vergleichsweise langer und begrenzter Wärmeweg. Huatian stellt diese Bauformen dem FOPLP-Ansatz gegenüber, der ohne ein konventionelles Substrat auskommen und den Wärmeweg verkürzen soll. 6

Beim QFN ist eine differenziertere Betrachtung notwendig. Varianten mit freiliegender Wärmefläche – etwa Exposed-Pad- oder Power-QFN-Gehäuse – können Wärme sehr effektiv in die Leiterplatte leiten. Ihre Leistungsfähigkeit hängt jedoch stark von der Leadframe-Geometrie, der Größe des Thermal Pads, der Kupferfläche, den Vias und der Wärmeverteilung im PCB ab.

Daher sind nicht alle QFN-Gehäuse grundsätzlich thermisch ungeeignet. Entscheidend ist, ob die konkrete Auslegung zur Verlustleistung und zum Gesamtsystem passt. Mit steigender Leistungsdichte können allerdings die verfügbare Gehäusefläche und die Wärmeabfuhr über die Anschlüsse zum begrenzenden Faktor werden.

Wie FOPLP den Wärmeweg verkürzen kann

Beim Fan-Out Packaging werden die Anschlüsse des Dies über Redistribution Layers nach außen geführt. Ein klassisches Package-Substrat ist dadurch nicht zwingend erforderlich. Die RDL-Struktur ermöglicht eine hohe Anschlussdichte und kurze elektrische Verbindungen; im Vergleich zu manchen herkömmlichen Architekturen kann dadurch auch die Induktivität sinken. 4

Typische Merkmale von Fan-Out Panel-Level Packaging sind:

• der Verzicht auf ein konventionelles Package-Substrat,
• eine hohe I/O-Dichte,
• ein dünnes Gehäuseprofil,
• RDL-Schichten für elektrische Verbindungen und potenziell auch zur Wärmeverteilung,
• die gemeinsame Optimierung von Materialien, Schichtdicken und Geometrie.

Das Fraunhofer IZM beschreibt Fan-Out Packaging als substratlose Gehäusetechnologie mit großem Potenzial für Miniaturisierung und niedrige thermische Widerstände. 12 Auch TSMCs InFO-Plattform zeigt, wie hochdichte RDL-Strukturen in mobilen Anwendungen und im High-Performance Computing eingesetzt werden können. 13

Wichtig ist jedoch: Ein dünnes Gehäuse und eine hohe I/O-Dichte verbessern die Thermik nicht automatisch. Erst wenn Kupferstrukturen, Mold Compound, die Rückseite des Dies, ein Heatspreader und das PCB einen wirksamen Wärmeweg bilden, entsteht ein praktischer Vorteil. Die Gehäusearchitektur kann die Grundlage schaffen, ersetzt aber nicht die Kühlung auf Systemebene.

Mobile, Automotive und HPC stellen unterschiedliche Anforderungen

Fan-Out Packaging wird bereits für mobile und drahtlose Anwendungen eingesetzt und findet zunehmend auch in Automotive- und Medizinsystemen Verwendung. Hochdichte Fan-Out-Plattformen werden außerdem für mobile Anwendungen und das High-Performance Computing positioniert. 113

Die thermischen Anforderungen unterscheiden sich deutlich:

• Mobile Geräte: Hier zählen vor allem geringe Bauhöhe und die Verteilung der Wärme in einem engen Gehäuse, meist ohne großen Kühlkörper.
• Automotive-Elektronik: Die Packages müssen wiederholte Temperaturzyklen und starke Temperaturschwankungen über lange Zeit verkraften.
• High-Performance Computing: Die gesamte Verlustleistung liegt deutlich höher. Ein Package kann deshalb zusätzlich einen Deckel, eine Cold Plate oder eine andere externe Kühlinfrastruktur benötigen. FOPLP ersetzt die Systemkühlung nicht allein.

Thermischer Widerstand ist nicht dasselbe wie ein Ψ-Parameter

Für die Bewertung thermischer Eigenschaften sind die Messbedingungen entscheidend. Die JEDEC-Methodik soll unter definierten Bedingungen belastbare Daten zur Bestimmung der Sperrschichttemperatur liefern.

Ein thermischer Widerstand θ beschreibt einen festgelegten Wärmefluss zwischen zwei Bezugspunkten. RθJC steht beispielsweise für den Wärmeweg von der Sperrschicht zur Gehäuseoberfläche, wenn die Wärme gezielt über diese Oberfläche abgeführt wird – etwa über eine entsprechend angesetzte Kühlplatte oder einen Kühlkörper.

In einer realen Anwendung auf einer Leiterplatte verteilt sich die Wärme jedoch auf mehrere Wege: nach oben, in das PCB, über Lötstellen oder Anschlüsse und in die Umgebung. Deshalb ist die Gleichung

Tj = Tc + P × RθJC

nicht als allgemeine Methode zur Berechnung der Betriebstemperatur geeignet. Texas Instruments weist darauf hin, dass die thermischen Charakterisierungsparameter ΨJT und ΨJB für moderne, auf Platinen montierte Bauteile häufig praxisnäher sind.

Unter den jeweils passenden Mess- und Anwendungsbedingungen können beispielsweise folgende Näherungen verwendet werden:

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

ΨJT und ΨJB sind keine fundamentalen, eindimensionalen thermischen Widerstände. Es handelt sich um Charakterisierungsparameter, die von Messaufbau, Geometrie und Anwendungssystem abhängen.

Was Huatian mit „Full-Process“-Design meint

Nach Angaben des Unternehmens umfasst der Ansatz die Materialauswahl, das Wiring-Design und die Gehäusestruktur. Multiphysikalische Simulationen sollen dabei die Wärmeabfuhr und die langfristige Zuverlässigkeit verbessern. 8

Aus ingenieurtechnischer Sicht gehören dazu unter anderem:

• die Auswahl von Mold Compound, Die-Attach und thermischen Schnittstellenmaterialien,
• die Auslegung und Positionierung von Kupfer-RDL zur Wärmeverteilung,
• die Erkennung und Begrenzung lokaler Hotspots,
• die gemeinsame Betrachtung von Wärmeleitung und elektrischen Verlusten,
• die Kontrolle von Warpage und unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten,
• die Bewertung der Material- und Verbindungsermüdung bei Temperaturzyklen.

Gerade großflächige und dünne Panel-Level-Packages machen eine thermomechanische Analyse wichtig. Untersuchungen zu FOPLP haben die Materialeigenschaften und die Verformung beim Abkühlen betrachtet. Warpage und eine Verschiebung der Dies gelten weiterhin als zentrale Zuverlässigkeitsrisiken. 3

Das Fazit: Die Technologie braucht belastbare Messdaten

FOPLP gibt Huatian die Möglichkeit, das Wärmemanagement bereits auf Architekturebene anzugehen: Überflüssige Strukturschichten können reduziert, RDLs für dichte Verbindungen und potenziell zur Wärmeverteilung genutzt sowie Materialien und Geometrie gemeinsam optimiert werden. Diese Vorteile entsprechen der grundsätzlichen Zielrichtung von Fan-Out Packaging. 812

Damit ist jedoch noch keine konkrete thermische Verbesserung eines Huatian-Produkts bewiesen. In den verfügbaren Unterlagen hat das Unternehmen bislang keine unabhängig verifizierten Werte zu thermischem Widerstand, Sperrschichttemperatur oder Lebensdauer veröffentlicht.

Die entscheidende Prüfung muss daher unter den realen Einsatzbedingungen erfolgen: mit dem vorgesehenen PCB, der tatsächlichen Leistungsverteilung, der konkreten Kühlschnittstelle, dem Luftstrom und dem erwarteten Temperaturzyklus. Die relevante Frage lautet nicht nur, wie hoch der RθJC-Wert eines Packages ist. Entscheidend ist, ob das gesamte System den Chip über seine Lebensdauer innerhalb der zulässigen Temperaturgrenzen hält.