FOPLP siirtää sirujen lämpösuunnittelun pakkauksen ytimeen

Kun transistorit pakkautuvat yhä tiheämmin pienemmälle sirupinta-alalle, myös tehonkulutus ja lämmöntuotanto keskittyvät entistä ahtaampaan tilaan. Siksi sirupaketti ei ole enää vain suojaava kuori, vaan olennainen osa lämmönhallintaa.

Huatian Technology kertoo rakentaneensa fan-out-pakkaukseen koko prosessin kattavan lämpösuunnittelun ja simulointikyvyn. Tavoitteena on ottaa lämpö huomioon jo materiaalien, johdotuksen ja pakenteen suunnittelussa – ei yrittää korjata ongelmaa vasta kokoonpanon jälkeen. 8

Miksi paketin lämpösuunnittelu ratkaisee yhä enemmän

Sirun liitoslämpötila ei riipu vain piistä. Lämpö kulkee koko reittiä pitkin: die attach -materiaalin ja muovimassarakenteen, metallisten uudelleenreitityskerrosten eli RDL-kerrosten, paketin pinnan, piirilevyn, lämpörajapintamateriaalien, jäähdytyslevyn ja ilmanvirtauksen kautta.

Jos reitillä on suuri lämpöresistanssi tai rakenteeseen syntyy paikallisia kuumia pisteitä, siru voi toimia korkeammassa lämpötilassa ja sen luotettavuusmarginaali pienenee. Lämpökuormitus voi lisäksi kiihdyttää esimerkiksi liitäntöjen väsymistä, materiaalien irtoamista, lämpölaajenemisesta johtuvia jännityksiä ja rakenteen vääntymistä.

SOP-, QFP- ja QFN-pakettien rajat eivät ole samanlaiset

Perinteisissä SOP- ja QFP-paketeissa merkittävä osa lämmöstä siirtyy liitinjalkojen ja leadframen kautta. Tämä muodostaa usein pitkän ja rajoittuneen lämpöreitin. Huatian vertaa näitä rakenteita FOPLP-pakettiin, jossa perinteistä pakettialustaa ei käytetä ja lämpöreitti voi olla lyhyempi. 6

QFN-paketteja on kuitenkin arvioitava tapauskohtaisesti. Exposed pad- tai power-QFN-rakenne voi tarjota tehokkaan lämpöreitin suoraan piirilevylle. Suorituskyky riippuu muun muassa leadframen geometriasta, lämpöpadin koosta, kuparialasta, lämpöviasta eli thermal via -rakenteista sekä siitä, kuinka hyvin piirilevy levittää lämpöä.

Kaikkia QFN-paketteja ei siis ole perusteltua pitää lämpöteknisesti heikkoina. Ratkaisevaa on, kuinka paljon tehoa kyseinen siru tuottaa ja millaisessa järjestelmässä sitä käytetään.

Miten FOPLP voi lyhentää lämmön kulkureittiä

Fan-out-pakkauksessa sirun liitännät tuodaan RDL-kerrosten avulla sirun jalanjäljen ulkopuolelle sen sijaan, että kaikki liitännät perustuisivat perinteiseen pakettialustaan. Rakenne voi tukea suurempaa liitäntätiheyttä ja pienempää induktanssia kuin jotkin perinteiset ratkaisut. 4

FOPLP:n tyypillisiä ominaisuuksia ovat:

• perinteisen package substraten eli pakettialustan puuttuminen,
• suuri I/O-tiheys,
• ohut rakenne,
• RDL-kerrokset, joita voidaan hyödyntää sekä sähköisiin liitäntöihin että lämmön levittämiseen,
• materiaalien ja pakettigeometrian yhteinen optimointi.

Fraunhofer IZM kuvaa fan-out-pakkauksen substraatittomaksi rakenteeksi, jolla voidaan saavuttaa merkittävä koon pienennys ja pieni lämpöresistanssi. TSMC:n InFO-teknologia puolestaan osoittaa, miten suuren tiheyden RDL-rakennetta voidaan käyttää mobiili- ja suurteholaskennan sovelluksissa. 1213

Ohut profiili ja suuri I/O-tiheys eivät silti automaattisesti tarkoita parempaa lämpösuorituskykyä. Hyöty syntyy vasta, jos kuparireitit, muovimassa, sirun taustapuoli, heat spreader eli lämmönlevitin sekä piirilevy muodostavat yhdessä toimivan lämpöreitin.

Mobiililaitteet, autot ja suurteholaskenta tarvitsevat eri asioita

Fan-out-pakkauksia on käytetty jo mobiili- ja langattomissa sovelluksissa, ja teknologiaa on viety myös autoelektroniikan ja lääketieteellisten järjestelmien suuntaan. Suuren tiheyden fan-out-alustoja kehitetään lisäksi mobiili- ja suurteholaskennan tarpeisiin. 113

FOPLP:n mahdollinen lämpöhyöty riippuu käyttökohteesta:

• Mobiililaitteissa tärkeää on ohut rakenne ja lämmön levittäminen pienessä rungossa, jossa suurelle jäähdytyslevylle ei ole tilaa.
• Autoelektroniikassa paketin on kestettävä toistuvia lämpösyklejä ja suuria lämpötilan vaihteluita.
• Suurteholaskennassa kokonaisteho on paljon suurempi. Paketti voi tarvita kannen, kylmälevyn tai muun ulkoisen jäähdytysrakenteen, eikä FOPLP yksin korvaa koko järjestelmän lämpösuunnittelua.

RθJC ja Ψ-parametrit eivät tarkoita samaa asiaa

JEDECin lämpömittaukset ovat hyödyllisiä vain, kun niiden yhteydessä ilmoitetut testausolosuhteet otetaan huomioon. Theta-merkinnällä ilmoitettava lämpöresistanssi kuvaa määriteltyä lämmön kulkureittiä. Psi-merkinnällä ilmoitettavat karakterisointiparametrit puolestaan yhdistävät liitoslämpötilan mitattavaan lämpötilaan esimerkiksi paketin päällä tai piirilevyllä.

RθJC kuvaa junction-to-case-reittiä tilanteessa, jossa lämpö johdetaan tarkoituksellisesti paketin pinnan kautta esimerkiksi lämpölevylle tai jäähdytyslevylle. Se ei välttämättä kuvaa todellista piirilevysovellusta, jossa lämpö jakautuu paketin yläosan, piirilevyn, juotospallojen tai liitinjalkojen ja ympäröivän ilman kesken.

Siksi seuraavaa kaavaa ei pidä käyttää yleisenä tapana arvioida käyttötilanteen liitoslämpötilaa:

Tj = Tc + P × RθJC

Texas Instrumentsin mukaan ΨJT- ja ΨJB-parametrit voivat olla nykyaikaisissa piirilevylle asennetuissa paketeissa käytännöllisempiä liitoslämpötilan arviointiin. 13 Soveltuvissa testausolosuhteissa voidaan käyttää esimerkiksi suhteita:

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

ΨJT ja ΨJB eivät ole perustavanlaatuisia yksiulotteisia lämpöresistansseja. Ne ovat mittausasetelmasta, rakenteesta ja sovelluksesta riippuvia karakterisointiparametreja.

Mitä Huatianin “full-process”-osaaminen käytännössä tarkoittaa?

Yhtiön oman kuvauksen mukaan lähestymistapa kattaa materiaalivalinnat, wiring-suunnittelun ja paketin rakenteen. Monifysiikkasimulaatiolla pyritään parantamaan lämmönsiirtoa ja pitkäaikaista luotettavuutta. 8

Insinöörityössä tämä tarkoittaa käytännössä ainakin seuraavien asioiden yhteistä tarkastelua:

• muovimassan, die attach -materiaalin ja lämpörajapintamateriaalien valintaa,
• kuparisten RDL-kerrosten paksuuden ja sijainnin suunnittelua lämmön levittämiseksi,
• kuumien pisteiden paikantamista ja rajoittamista,
• lämmönjohtumisen ja sähköisten häviöiden yhdistettyä analyysiä,
• warpage-ilmiön eli paketin vääntymisen ja lämpölaajenemiskertoimien erojen hallintaa,
• lämpösyklien aiheuttaman väsymisen arviointia.

Panel-level packagingin suuret ja ohuet rakenteet korostavat lämpömekaanisen analyysin merkitystä. FOPLP-tutkimuksissa on tarkasteltu materiaalien käyttäytymistä ja paketin vääntymisen muuttumista jäähtymisen aikana. Warpage ja sirun siirtyminen ovat edelleen tunnettuja luotettavuushaasteita. 3

Väite on kiinnostava – mutta ratkaisevat mittaustulokset puuttuvat

FOPLP antaa Huatianille keinon käsitellä lämpöä jo paketin arkkitehtuuritasolla. Rakenteessa voidaan vähentää tarpeettomia kerroksia, käyttää RDL-kerroksia tiheään liitäntään ja mahdollisesti lämmön levittämiseen sekä optimoida materiaalit ja geometria ennen paketin valmistumista. Nämä ovat fan-out-teknologian perusteltuja mahdollisia etuja. 812

Ne eivät kuitenkaan yksin todista, että Huatianin tietty tuote saavuttaa paremman lämpösuorituskyvyn. Käytettävissä olevien tietojen perusteella yhtiö ei ole julkaissut riippumattomasti varmennettuja arvoja esimerkiksi lämpöresistanssista, liitoslämpötilasta tai käyttöiästä.

Teknologian todellinen arviointi pitääkin tehdä mitatuista liitoslämpötiloista ja luotettavuustuloksista todellisissa käyttöolosuhteissa: määritellyllä piirilevyllä, tehonjakaumalla, jäähdytysrajalla, ilmanvirtauksella ja lämpösykliprofiililla.

Oleellinen kysymys ei siis ole vain se, mikä on paketin RθJC-arvo. Tärkeämpää on, pysyykö koko järjestelmä sirun sallituissa lämpötilarajoissa koko käyttöiän ajan.