FOPLP και θερμική διαχείριση: γιατί η συσκευασία γίνεται κρίσιμη για τα ισχυρά chip

Η αύξηση της πυκνότητας transistor και της κατανάλωσης ισχύος μετατρέπει τη συσκευασία από απλό προστατευτικό περίβλημα σε ενεργό μέρος της θερμικής λύσης. Η Huatian Technology υποστηρίζει ότι έχει αναπτύξει δυνατότητα σχεδιασμού και προσομοίωσης θερμικής συμπεριφοράς σε όλη τη διαδικασία του fan-out packaging, με στόχο η θερμότητα να αντιμετωπίζεται από την αρχή και όχι μετά τη συναρμολόγηση. 8

Η βασική υπόσχεση του fan-out panel-level packaging (FOPLP) είναι ένας πιο άμεσος και ελεγχόμενος δρόμος από το die προς το πακέτο, την πλακέτα και το σύστημα ψύξης. Αυτό μπορεί να βοηθήσει συσκευές υψηλής πυκνότητας ισχύος, αλλά δεν αποτελεί από μόνο του απόδειξη καλύτερης θερμικής επίδοσης σε κάθε εφαρμογή.

Γιατί η θερμική σχεδίαση του πακέτου είναι πλέον κρίσιμη

Καθώς περισσότερη υπολογιστική λειτουργία συγκεντρώνεται σε μικρότερη επιφάνεια die, η θερμότητα πρέπει να απομακρύνεται από πιο περιορισμένη περιοχή. Η θερμοκρασία επαφής του chip δεν καθορίζεται μόνο από το silicon. Επηρεάζεται από ολόκληρη τη διαδρομή θερμότητας: το die attach και το mold compound, τις μεταλλικές στρώσεις ανακατανομής (RDL), την επιφάνεια του πακέτου, το PCB, τα υλικά θερμικής διεπαφής, το heatsink και τη ροή αέρα.

Αν η διαδρομή αυτή έχει υψηλή θερμική αντίσταση ή δημιουργεί hotspots, η συσκευή μπορεί να λειτουργεί σε υψηλότερη θερμοκρασία, με μικρότερο περιθώριο αξιοπιστίας. Η θερμική καταπόνηση συνδέεται επίσης με μηχανισμούς όπως κόπωση διασυνδέσεων, αποκόλληση υλικών, θερμική διαστολή και παραμόρφωση.

Ποια είναι τα όρια των SOP, QFP και QFN

Τα παραδοσιακά πακέτα SOP και QFP μεταφέρουν μεγάλο μέρος της θερμότητας μέσω ακροδεκτών και leadframe. Αυτό δημιουργεί συνήθως μακρύτερη και πιο περιορισμένη θερμική διαδρομή. Η Huatian αντιπαραβάλλει αυτή την αρχιτεκτονική με το FOPLP, το οποίο σχεδιάζεται χωρίς συμβατικό υπόστρωμα και με μικρότερη διαδρομή θερμότητας. 6

Το QFN χρειάζεται πιο προσεκτική αξιολόγηση. Ένα QFN με exposed pad ή power-QFN μπορεί να προσφέρει αποτελεσματική θερμική διαδρομή προς την πλακέτα. Το όριό του εξαρτάται από τη γεωμετρία του leadframe, το θερμικό pad, την επιφάνεια χαλκού, τα vias και την ικανότητα του PCB να διαχέει τη θερμότητα. Επομένως, δεν είναι σωστό να χαρακτηρίζονται όλα τα QFN ως θερμικά ανεπαρκή· η καταλληλότητά τους εξαρτάται από την ισχύ και το σύστημα στο οποίο χρησιμοποιούνται.

Πώς μπορεί να βοηθήσει το FOPLP

Στο fan-out packaging, οι συνδέσεις του die ανακατανέμονται προς τα έξω μέσω RDL, αντί να βασίζονται αποκλειστικά σε ένα συμβατικό υπόστρωμα. Η προσέγγιση αυτή υποστηρίζει υψηλότερη πυκνότητα διασυνδέσεων και χαμηλότερη επαγωγή σε σχέση με ορισμένες παραδοσιακές αρχιτεκτονικές. 4

Η FOPLP αρχιτεκτονική συνδυάζει συνήθως:

• απουσία συμβατικού package substrate,
• υψηλή πυκνότητα I/O,
• λεπτό προφίλ,
• RDL που μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για ηλεκτρική διασύνδεση και για διάχυση θερμότητας,
• δυνατότητα κοινής βελτιστοποίησης υλικών και γεωμετρίας.

Η Fraunhofer IZM περιγράφει το fan-out ως substrateless package με δυνατότητα σημαντικής σμίκρυνσης και χαμηλής θερμικής αντίστασης, ενώ η τεχνολογία InFO της TSMC δείχνει πώς η υψηλής πυκνότητας RDL μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές mobile και high-performance computing. 1213

Ωστόσο, το μικρό πάχος και η υψηλή πυκνότητα I/O δεν βελτιώνουν αυτόματα τη θερμική συμπεριφορά. Το αποτέλεσμα εξαρτάται από το αν οι μεταλλικές διαδρομές, το mold compound, η πίσω πλευρά του die, το heat spreader και το PCB σχηματίζουν πραγματικά αποτελεσματικό θερμικό μονοπάτι.

Διαφορετικές ανάγκες σε mobile, automotive και HPC

Το fan-out packaging έχει ήδη χρησιμοποιηθεί σε mobile και wireless εφαρμογές και επεκτείνεται προς automotive και medical συστήματα. 1 Πλατφόρμες υψηλής πυκνότητας fan-out προορίζονται επίσης για mobile και high-performance computing. 13

Η θερμική αξία του FOPLP διαφέρει ανάλογα με την εφαρμογή:

• Mobile συσκευές: Η προτεραιότητα είναι το μικρό πάχος και η διάχυση θερμότητας σε περιορισμένο chassis, χωρίς μεγάλο heatsink.
• Automotive electronics: Η συσκευασία πρέπει να αντέχει επαναλαμβανόμενους θερμικούς κύκλους και μεγάλες μεταβολές θερμοκρασίας.
• High-performance computing: Η συνολική ισχύς είναι πολύ υψηλότερη, επομένως το πακέτο μπορεί να χρειάζεται lid, cold plate ή άλλη εξωτερική υποδομή ψύξης. Το FOPLP δεν αντικαθιστά από μόνο του τη θερμική σχεδίαση του συστήματος.

Θερμική αντίσταση και θερμικές παράμετροι: η διάκριση που έχει σημασία

Οι μετρήσεις της JEDEC έχουν νόημα μόνο όταν εξετάζονται μαζί με τις συγκεκριμένες συνθήκες δοκιμής. Η θερμική αντίσταση θ περιγράφει μια καθορισμένη διαδρομή ροής θερμότητας. Αντίθετα, οι παράμετροι χαρακτηρισμού Ψ χρησιμοποιούνται για να συσχετίσουν τη θερμοκρασία επαφής με μια μετρήσιμη θερμοκρασία στο πάνω μέρος του πακέτου ή στην πλακέτα.

Η RθJC, για παράδειγμα, χαρακτηρίζει τη διαδρομή junction-to-case όταν η θερμότητα οδηγείται σκόπιμα προς την επιφάνεια του case, όπως σε δοκιμή με θερμική πλάκα ή heatsink. Δεν περιγράφει απαραίτητα τη ροή θερμότητας σε μια πραγματική πλακέτα, όπου η ισχύς κατανέμεται προς το πάνω μέρος, το PCB, τις μπάλες ή τους ακροδέκτες και το περιβάλλον.

Γι’ αυτό ο τύπος:

Tj = Tc + P × RθJC

δεν πρέπει να χρησιμοποιείται ως γενικός τρόπος εκτίμησης της θερμοκρασίας λειτουργίας. Η Texas Instruments επισημαίνει ότι οι παράμετροι ΨJT και ΨJB είναι συχνά καταλληλότερες για σύγχρονες εφαρμογές πάνω σε πλακέτα. 13 Όταν οι συνθήκες μέτρησης είναι κατάλληλες, οι μηχανικοί μπορούν να χρησιμοποιούν σχέσεις όπως:

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

Οι ΨJT και ΨJB δεν είναι θεμελιώδεις μονοδιάστατες θερμικές αντιστάσεις. Είναι παράμετροι χαρακτηρισμού που εξαρτώνται από τη διάταξη, τη μέτρηση και το σύστημα στο οποίο εφαρμόζονται.

Τι σημαίνει στην πράξη η «full-process» ικανότητα της Huatian

Σύμφωνα με την περιγραφή της εταιρείας, η προσέγγιση καλύπτει την επιλογή υλικών, τον σχεδιασμό wiring και τη δομή του πακέτου, με χρήση multiphysics simulation για βελτίωση της απαγωγής θερμότητας και της μακροχρόνιας αξιοπιστίας. 8

Σε επίπεδο μηχανικής, μια τέτοια διαδικασία πρέπει να συνδυάζει:

• επιλογή mold compound, die attach και υλικών θερμικής διεπαφής,
• σχεδιασμό του πάχους και της θέσης των χάλκινων RDL για διάχυση θερμότητας,
• εντοπισμό και περιορισμό hotspots,
• συνδυασμένη ανάλυση θερμικής αγωγής και ηλεκτρικών απωλειών,
• έλεγχο warpage και ασυμφωνίας συντελεστή θερμικής διαστολής,
• αξιολόγηση της κόπωσης σε θερμικούς κύκλους.

Οι μεγάλες και λεπτές δομές panel-level packaging αυξάνουν τη σημασία της θερμομηχανικής ανάλυσης. Μελέτες για FOPLP έχουν εξετάσει τη συμπεριφορά υλικών και τη μεταβολή της παραμόρφωσης κατά την ψύξη, ενώ η warpage και η μετατόπιση die παραμένουν αναγνωρισμένες προκλήσεις αξιοπιστίας. 3

Το κρίσιμο συμπέρασμα: η υπόσχεση χρειάζεται μετρήσεις

Το FOPLP δίνει στην Huatian έναν τρόπο να αντιμετωπίσει τη θερμότητα σε επίπεδο αρχιτεκτονικής: να μειώσει περιττά δομικά στρώματα, να αξιοποιήσει το RDL για πυκνή διασύνδεση και πιθανή διάχυση θερμότητας και να βελτιστοποιήσει υλικά και γεωμετρία πριν ολοκληρωθεί το πακέτο. Αυτά είναι εύλογα πλεονεκτήματα της τεχνολογίας και συνάδουν με τη γενικότερη κατεύθυνση του fan-out packaging. 812

Δεν αποδεικνύουν όμως από μόνα τους συγκεκριμένη θερμική βελτίωση για προϊόν της Huatian. Η εταιρεία δεν έχει δημοσιοποιήσει, στο διαθέσιμο υλικό, ανεξάρτητα επαληθευμένες τιμές για θερμική αντίσταση, θερμοκρασία επαφής ή διάρκεια ζωής.

Η ουσιαστική αξιολόγηση πρέπει επομένως να βασίζεται σε μετρημένες θερμοκρασίες junction και σε αποτελέσματα αξιοπιστίας υπό τις πραγματικές συνθήκες εφαρμογής: συγκεκριμένο PCB, κατανομή ισχύος, όριο ψύξης, airflow και προφίλ θερμικών κύκλων. Η σωστή ερώτηση δεν είναι μόνο ποια είναι η θJC ενός πακέτου, αλλά αν το πλήρες σύστημα διατηρεί το chip εντός θερμοκρασιακών ορίων σε όλη τη διάρκεια ζωής του.