כשהשבב מתחמם, גם האריזה הופכת לחלק ממערכת הקירור

העלייה בצפיפות הטרנזיסטורים ובצריכת החשמל הופכת את האריזה מחיפוי מגן בלבד לרכיב פעיל בפתרון התרמי. Huatian Technology טוענת כי פיתחה יכולת לתכנון ולסימולציה של ההתנהגות התרמית לאורך כל תהליך אריזת ה-fan-out, כך שהחום יטופל כבר בשלב הארכיטקטורה — ולא רק לאחר השלמת ההרכבה. 8

ההבטחה המרכזית של Fan-Out Panel-Level Packaging (FOPLP) היא יצירת מסלול ישיר ומבוקר יותר מה-die אל האריזה, הלוח ומערכת הקירור. גישה זו עשויה לסייע בהתקנים בעלי צפיפות הספק גבוהה, אך עצם השימוש ב-FOPLP אינו מוכיח ביצועים תרמיים טובים יותר בכל יישום.

מדוע התכנון התרמי של האריזה נעשה קריטי

ככל שיותר יכולת חישובית נדחסת לשטח קטן יותר של ה-die, החום צריך להתפנות מאזור מצומצם יותר. טמפרטורת הצומת של השבב אינה נקבעת רק על ידי הסיליקון, אלא על ידי כל מסלול החום: חיבור ה-die וחומר ה-mold, שכבות המתכת לניתוב מחדש (RDL), פני האריזה, ה-PCB, חומרי הממשק התרמי, מפזר החום וזרימת האוויר.

כאשר למסלול הזה יש התנגדות תרמית גבוהה או כאשר נוצרים בו מוקדי חום, ההתקן עלול לעבוד בטמפרטורה גבוהה יותר ולהישאר עם מרווח אמינות קטן יותר. עומס תרמי עלול להיות קשור גם לעייפות של חיבורים, להיפרדות בין חומרים, להתפשטות תרמית ולעיוות מכני.

במילים אחרות, גם שבב חזק במיוחד לא יוכל לממש את מלוא היכולת שלו אם האריזה והמערכת שמסביב אינן מסוגלות לפנות את החום.

מה מגביל את SOP, QFP ו-QFN

אריזות מסורתיות כמו SOP ו-QFP מעבירות חלק משמעותי מהחום דרך הלידים ומסגרת הלידים (leadframe). במקרים רבים, הדבר יוצר מסלול חום ארוך ומוגבל יחסית. Huatian מציגה את FOPLP כארכיטקטורה ללא מצע מסורתי ובעלת מסלול תרמי קצר יותר לעומת פתרונות אלה. 6

את QFN צריך לבחון בזהירות רבה יותר. QFN עם משטח חשוף (exposed pad), או גרסת power-QFN, יכולה לספק מסלול תרמי יעיל אל ה-PCB. הביצועים תלויים בגאומטריית ה-leadframe, בגודל המשטח התרמי, בשטח הנחושת, במספר ה-vias וביכולת של הלוח לפזר את החום.

לכן לא נכון לקבוע שכל אריזות ה-QFN חלשות מבחינה תרמית. המגבלה שלהן תלויה בהספק, בצפיפות ההספק ובמערכת שבה הן משולבות.

כיצד FOPLP עשויה לסייע

באריזת fan-out, החיבורים של ה-die מנותבים החוצה באמצעות שכבות RDL, במקום להסתמך בעיקר על מצע אריזה מסורתי. מבנה זה מאפשר צפיפות חיבורים גבוהה יותר ולעיתים גם השראות נמוכה יותר בהשוואה לארכיטקטורות מסורתיות מסוימות. 4

ארכיטקטורת FOPLP כוללת בדרך כלל:

• היעדר מצע package מסורתי;
• צפיפות I/O גבוהה;
• פרופיל דק;
• שכבות RDL שיכולות לשמש הן לחיבור חשמלי והן לפיזור חום;
• אפשרות לבצע אופטימיזציה משותפת של החומרים, הניתוב והגאומטריה.

Fraunhofer IZM מתארת את fan-out כאריזה ללא מצע, עם פוטנציאל למזעור משמעותי ולהתנגדות תרמית נמוכה. טכנולוגיית InFO של TSMC מדגימה כיצד RDL בצפיפות גבוהה יכולה לשמש ביישומי מובייל ובמחשוב עתיר ביצועים. 1213

עם זאת, עובי קטן וצפיפות I/O גבוהה אינם משפרים אוטומטית את ההתנהגות התרמית. התוצאה תלויה בשאלה אם מסלולי הנחושת, חומר ה-mold, הצד האחורי של ה-die, מפזר החום וה-PCB יוצרים בפועל מסלול יעיל לפינוי חום.

מובייל, רכב ומחשוב עתיר ביצועים: לא אותה בעיה תרמית

אריזת fan-out כבר משמשת ביישומי מובייל ותקשורת אלחוטית, ומתרחבת גם לתחומי האלקטרוניקה לרכב והרפואה. 1 פלטפורמות fan-out בצפיפות גבוהה מיועדות גם ליישומי מובייל ולמחשוב עתיר ביצועים. 13

הערך התרמי של FOPLP משתנה בהתאם לסביבה:

• מכשירי מובייל: הדגש הוא על עובי קטן ועל פיזור חום בתוך שלדה צפופה, בדרך כלל ללא גוף קירור גדול.
• אלקטרוניקה לרכב: האריזה צריכה לעמוד במחזורי חום חוזרים ובשינויים גדולים בטמפרטורה לאורך זמן.
• מחשוב עתיר ביצועים: ההספק הכולל גבוה בהרבה, ולכן ייתכן צורך במכסה תרמי, ב-cold plate או בתשתית קירור חיצונית אחרת. FOPLP אינה מחליפה לבדה את התכנון התרמי של המערכת.

התנגדות תרמית לעומת פרמטרי אפיון תרמי

ההבדל בין התנגדות תרמית לבין פרמטר אפיון תרמי חשוב במיוחד למהנדסים שמנסים להעריך את טמפרטורת הצומת.

תקני JEDEC מספקים שיטות מדידה תרמיות שנועדו להפיק נתונים משמעותיים רק בתנאי בדיקה מוגדרים. התנגדות תרמית θ מתארת מסלול מוגדר של זרימת חום. לעומת זאת, פרמטרים כמו Ψ משמשים לקישור בין טמפרטורת הצומת לבין טמפרטורה שניתן למדוד בחלק העליון של האריזה או על הלוח.

לדוגמה, RθJC מתארת את המסלול מהצומת אל המעטפת כאשר החום מנותב בכוונה אל פני המעטפת — למשל בבדיקה עם גוף קירור או פלטה תרמית. היא אינה מתארת בהכרח את פיזור החום בלוח אמיתי, שבו ההספק מתחלק בין החלק העליון, ה-PCB, הכדורים או הלידים והסביבה.

לכן אין להשתמש באופן אוטומטי בנוסחה:

Tj = Tc + P × RθJC

כדרך כללית להערכת טמפרטורת העבודה. Texas Instruments מציינת כי פרמטרי האפיון ΨJT ו-ΨJB עשויים להיות נוחים ומתאימים יותר להערכת טמפרטורת הצומת ביישומים מודרניים המורכבים על לוח.

כאשר תנאי המדידה מתאימים, ניתן להשתמש בקשרים כמו:

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

חשוב לזכור ש-ΨJT ו-ΨJB אינם התנגדויות תרמיות יסודיות וחד-ממדיות. אלה פרמטרי אפיון אמפיריים, התלויים במבנה, בשיטת המדידה ובמערכת שבה נעשה בהם שימוש.

מה כוללת בפועל יכולת ה-full-process של Huatian

לפי תיאור החברה, הגישה של Huatian כוללת בחירת חומרים, תכנון ניתוב וחיזוק מבנה האריזה, תוך שימוש בסימולציה מולטי-פיזיקלית לשיפור פינוי החום והאמינות לאורך זמן. 8

מבחינה הנדסית, תהליך כזה אמור לשלב בין כמה תחומים:

• בחירת חומרי mold, חיבור die וחומרי ממשק תרמי;
• תכנון העובי והמיקום של שכבות ה-RDL מנחושת לצורך פיזור חום;
• איתור מוקדי חום והפחתתם;
• ניתוח משולב של הולכת חום, הפסדים חשמליים וריכוזי זרם;
• בדיקת warpage ואי-התאמה במקדם ההתפשטות התרמית;
• הערכת עייפות ונזק במהלך מחזורי חום.

המבנים הגדולים והדקים של אריזות panel-level מגבירים את החשיבות של ניתוח תרמו-מכני. מחקרים על FOPLP בחנו את התנהגות החומרים ואת השינוי בעיוות במהלך הקירור, בעוד ש-warpage ותזוזת die נותרו אתגרי אמינות מוכרים. 3

השורה התחתונה: ההבטחה חייבת להיבחן במדידות

FOPLP מעניקה ל-Huatian דרך להתמודד עם החום כבר ברמת ארכיטקטורת האריזה: לצמצם שכבות מבניות שאינן יעילות תרמית, להשתמש ב-RDL לחיבור בצפיפות גבוהה ולפיזור חום אפשרי, ולבצע אופטימיזציה של החומרים והגאומטריה לפני השלמת האריזה. אלה יתרונות אפשריים וסבירים של טכנולוגיית fan-out, והם תואמים את הכיוון הכללי של התחום. 812

אך הם אינם מוכיחים לבדם שיפור תרמי מסוים במוצר של Huatian. בחומר הזמין לא פורסמו נתונים בלתי תלויים ומאומתים לגבי התנגדות תרמית, טמפרטורת צומת או אורך חיים.

לכן, הבדיקה החשובה אינה מסתכמת במספר יחיד של θJC. ההערכה צריכה להתבסס על טמפרטורות junction שנמדדו בפועל ועל תוצאות אמינות בתנאי היישום האמיתיים: PCB מסוים, מפת הספק, גבולות הקירור, זרימת האוויר ופרופיל מחזורי החום.

השאלה הנכונה היא לא רק מהי ה-RθJC של האריזה, אלא האם המערכת המלאה מצליחה לשמור על השבב בתוך גבולות הטמפרטורה לאורך כל חיי המוצר.