Mengapa Kemasan Chip Kini Menjadi Kunci Pengendalian Panas

Meningkatnya kepadatan transistor dan konsumsi daya membuat kemasan chip bukan lagi sekadar pelindung. Kemasan kini menjadi bagian aktif dari solusi termal. Huatian Technology menyatakan telah mengembangkan kemampuan desain dan simulasi perilaku termal di seluruh proses fan-out packaging, sehingga panas dapat ditangani sejak tahap perancangan, bukan setelah perakitan selesai. 8

Janji utama fan-out panel-level packaging (FOPLP) adalah terciptanya jalur yang lebih langsung dan terkendali dari die menuju kemasan, papan sirkuit, serta sistem pendingin. Pendekatan ini berpotensi membantu perangkat dengan kepadatan daya tinggi. Namun, FOPLP tidak otomatis membuktikan kinerja termal yang lebih baik untuk setiap aplikasi.

Mengapa desain termal kemasan semakin penting

Semakin banyak fungsi komputasi yang dipadatkan ke area die yang lebih kecil, semakin terkonsentrasi pula panas yang harus dibuang. Suhu junction chip tidak hanya ditentukan oleh silikon, tetapi oleh seluruh jalur perpindahan panas: die attach dan mold compound, lapisan metalisasi RDL (redistribution layer), permukaan kemasan, PCB, material antarmuka termal, heatsink, hingga aliran udara.

Jika jalur tersebut memiliki resistansi termal tinggi atau membentuk titik panas (hotspot), perangkat dapat bekerja pada suhu lebih tinggi dan memiliki margin keandalan yang lebih kecil. Beban termal juga dapat mempercepat kelelahan interkoneksi, delaminasi material, perbedaan pemuaian termal, serta warpage atau perubahan bentuk kemasan.

Batasan SOP, QFP, dan QFN

Kemasan tradisional seperti SOP dan QFP umumnya menyalurkan sebagian besar panas melalui pin dan leadframe. Akibatnya, jalur termalnya cenderung lebih panjang dan terbatas. Huatian membandingkan arsitektur tersebut dengan FOPLP, yang dirancang tanpa substrat konvensional dan menawarkan jalur panas lebih pendek. 6

Namun, QFN perlu dinilai secara lebih spesifik. QFN dengan exposed pad atau varian power-QFN dapat menyediakan jalur termal yang efektif menuju PCB. Keterbatasannya bergantung pada geometri leadframe, ukuran thermal pad, luas tembaga, jumlah vias, serta kemampuan PCB menyebarkan panas.

Karena itu, tidak tepat jika semua QFN langsung dianggap tidak memadai secara termal. Kesesuaiannya ditentukan oleh tingkat daya die dan sistem tempat kemasan tersebut digunakan.

Bagaimana FOPLP dapat membantu

Dalam fan-out packaging, koneksi dari die diperluas ke luar melalui RDL, bukan hanya mengandalkan substrat kemasan konvensional. Pendekatan ini mendukung kepadatan interkoneksi yang lebih tinggi dan induktansi yang lebih rendah dibandingkan sejumlah arsitektur tradisional. 4

Secara umum, arsitektur FOPLP menggabungkan:

• tidak digunakannya substrat kemasan konvensional;
• kepadatan I/O yang tinggi;
• profil kemasan yang tipis;
• RDL yang dapat berfungsi sebagai jalur interkoneksi listrik sekaligus membantu penyebaran panas; dan
• peluang untuk mengoptimalkan material serta geometri secara bersamaan.

Fraunhofer IZM menjelaskan fan-out sebagai kemasan tanpa substrat yang berpotensi memberikan miniaturisasi signifikan dan resistansi termal rendah. Sementara itu, teknologi InFO milik TSMC menunjukkan bagaimana RDL berkepadatan tinggi dapat digunakan dalam aplikasi mobile dan komputasi performa tinggi. 1213

Meski demikian, profil tipis dan kepadatan I/O tinggi tidak dengan sendirinya memperbaiki kinerja termal. Hasil akhirnya bergantung pada apakah jalur logam, mold compound, bagian belakang die, heat spreader, dan PCB benar-benar membentuk rute pelepasan panas yang efektif.

Kebutuhan mobile, otomotif, dan HPC tidak sama

Fan-out packaging telah digunakan dalam produksi perangkat mobile dan nirkabel, lalu berkembang menuju aplikasi otomotif dan medis. 1 Platform fan-out berkepadatan tinggi juga diarahkan untuk perangkat mobile serta komputasi performa tinggi. 13

Nilai termal FOPLP berbeda menurut aplikasinya:

• Perangkat mobile: Fokusnya adalah ketipisan dan penyebaran panas di dalam bodi yang ruangnya terbatas, biasanya tanpa heatsink besar.
• Elektronik otomotif: Kemasan harus mampu menghadapi siklus termal berulang serta perubahan suhu yang lebar.
• Komputasi performa tinggi: Total daya yang harus dibuang jauh lebih besar. Karena itu, kemasan dapat tetap memerlukan lid, cold plate, atau infrastruktur pendingin eksternal lainnya. FOPLP tidak menggantikan desain termal pada tingkat sistem.

Bedakan resistansi termal dan parameter karakterisasi

Pengukuran berdasarkan standar JEDEC hanya bermakna jika dibaca bersama kondisi pengujian yang digunakan. Resistansi termal θ menggambarkan jalur aliran panas tertentu. Sebaliknya, parameter karakterisasi Ψ digunakan untuk menghubungkan suhu junction dengan suhu yang dapat diukur di bagian atas kemasan atau pada papan sirkuit.

Sebagai contoh, RθJC menggambarkan jalur junction-to-case ketika panas sengaja diarahkan ke permukaan case, misalnya dalam pengujian dengan pelat termal atau heatsink. Parameter ini tidak selalu menggambarkan aliran panas pada PCB nyata, karena dalam kondisi tersebut daya dapat terbagi ke bagian atas kemasan, PCB, bola solder atau pin, serta lingkungan sekitar.

Karena itu, rumus berikut tidak boleh digunakan sebagai cara umum untuk memperkirakan suhu operasi:

Tj = Tc + P × RθJC

Texas Instruments menekankan bahwa parameter ΨJT dan ΨJB sering lebih sesuai untuk aplikasi modern yang dipasang pada papan. 13 Jika kondisi pengukurannya sesuai, insinyur dapat menggunakan hubungan seperti:

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

ΨJT dan ΨJB bukan resistansi termal satu dimensi yang bersifat fundamental. Keduanya merupakan parameter karakterisasi yang dipengaruhi oleh susunan, metode pengukuran, dan sistem tempat perangkat digunakan.

Apa arti kemampuan “full-process” Huatian

Menurut penjelasan perusahaan, pendekatan Huatian mencakup pemilihan material, desain wiring, dan struktur kemasan. Semua aspek tersebut dianalisis dengan simulasi multiphysics untuk meningkatkan pembuangan panas sekaligus keandalan jangka panjang. 8

Dalam praktik rekayasa, proses seperti ini perlu mencakup:

• pemilihan mold compound, die attach, dan material antarmuka termal;
• pengaturan ketebalan serta posisi RDL tembaga agar dapat membantu menyebarkan panas;
• identifikasi dan pengendalian hotspot;
• analisis gabungan antara konduksi termal dan rugi-rugi listrik;
• pemeriksaan warpage serta ketidaksesuaian koefisien muai termal; dan
• evaluasi kelelahan material selama siklus termal.

Struktur panel-level packaging yang besar dan tipis membuat analisis termomekanis semakin penting. Sejumlah studi FOPLP telah meneliti perilaku material dan perubahan warpage saat pendinginan. Warpage serta pergeseran die tetap menjadi tantangan keandalan yang perlu diperhitungkan. 3

Kesimpulan: klaim keunggulan harus dibuktikan dengan data

FOPLP memberi Huatian cara untuk menangani panas sejak tingkat arsitektur kemasan. Perusahaan dapat mengurangi lapisan struktural yang tidak perlu, memanfaatkan RDL untuk interkoneksi padat dan kemungkinan penyebaran panas, serta mengoptimalkan material dan geometri sebelum kemasan selesai dibuat. Keunggulan tersebut masuk akal secara teknologi dan sejalan dengan perkembangan umum fan-out packaging. 812

Namun, hal itu belum membuktikan adanya peningkatan termal tertentu pada produk Huatian. Berdasarkan materi yang tersedia, perusahaan belum mempublikasikan angka resistansi termal, suhu junction, atau usia pakai yang telah diverifikasi secara independen.

Evaluasi yang benar harus menggunakan suhu junction terukur dan hasil uji keandalan dalam kondisi aplikasi sebenarnya: PCB tertentu, peta distribusi daya, batas pendinginan, aliran udara, serta profil siklus termal. Pertanyaan pentingnya bukan hanya berapa nilai θJC suatu kemasan, melainkan apakah keseluruhan sistem mampu menjaga chip tetap berada dalam batas suhu selama masa pakainya.