FOPLP e gestione termica: perché il packaging è diventato decisivo per i chip più potenti

La corsa a una maggiore densità di transistor e a più potenza di calcolo sta trasformando il packaging dei semiconduttori: non è più soltanto un involucro protettivo, ma una parte integrante della soluzione termica. Huatian Technology afferma di aver sviluppato capacità di progettazione e simulazione del comportamento termico lungo l’intero processo di fan-out packaging, con l’obiettivo di affrontare il calore fin dalle prime fasi del progetto e non dopo l’assemblaggio. 8

La promessa di base del fan-out panel-level packaging (FOPLP) è un percorso più diretto e controllabile dal die al package, alla scheda e infine al sistema di raffreddamento. Questo può essere utile per i dispositivi con elevata densità di potenza, ma non dimostra automaticamente prestazioni termiche superiori in ogni applicazione.

Perché la progettazione termica del package è diventata critica

Quando una quantità maggiore di elaborazione viene concentrata in una superficie di silicio più piccola, il calore deve essere rimosso da un’area sempre più limitata. La temperatura di giunzione del chip non dipende quindi soltanto dal silicio. Conta l’intero percorso termico: il die attach e il mold compound, gli strati metallici di redistribuzione — o RDL, Redistribution Layer —, la superficie del package, il PCB, i materiali di interfaccia termica, l’heatsink e il flusso d’aria.

Se questo percorso presenta un’elevata resistenza termica o favorisce la formazione di hotspot, il dispositivo può lavorare a temperature più alte, con un margine di affidabilità ridotto. Lo stress termico può inoltre accelerare fenomeni come la fatica delle interconnessioni, il distacco tra materiali, la dilatazione termica differenziale e la deformazione del package.

I limiti di SOP, QFP e QFN

I package tradizionali SOP e QFP trasferiscono gran parte del calore attraverso i terminali e il leadframe. Ne deriva spesso un percorso termico più lungo e più limitato. Huatian contrappone questa architettura al FOPLP, progettato senza un substrato convenzionale e con un percorso termico più breve. 6

Il QFN richiede però una valutazione più precisa. Un QFN con exposed pad, o un power-QFN, può offrire un percorso termico efficace verso la scheda. Il risultato dipende dalla geometria del leadframe, dal thermal pad, dalla quantità di rame, dai vias e dalla capacità del PCB di distribuire il calore.

Per questo non è corretto considerare tutti i QFN termicamente insufficienti. La loro adeguatezza dipende dalla potenza dissipata e dal sistema in cui vengono utilizzati.

In che modo il FOPLP può aiutare

Nel fan-out packaging, le connessioni del die vengono redistribuite verso l’esterno attraverso gli RDL, invece di dipendere esclusivamente da un substrato tradizionale. Questo approccio consente una maggiore densità di interconnessioni e, rispetto ad alcune architetture convenzionali, una minore induttanza. 4

Un’architettura FOPLP combina generalmente:

• l’assenza di un package substrate convenzionale;
• un’elevata densità di I/O;
• un profilo ridotto;
• RDL utilizzabili sia per le connessioni elettriche sia, potenzialmente, per la diffusione del calore;
• la possibilità di ottimizzare insieme materiali e geometria del package.

Fraunhofer IZM descrive il fan-out come un package privo di substrato, con un potenziale significativo per la miniaturizzazione e una bassa resistenza termica. La tecnologia InFO di TSMC mostra inoltre come gli RDL ad alta densità possano essere impiegati in applicazioni mobile e nell’high-performance computing. 1213

Il profilo sottile e l’elevata densità di I/O, tuttavia, non migliorano automaticamente il comportamento termico. Il risultato dipende dal fatto che i percorsi metallici, il mold compound, il retro del die, l’eventuale heat spreader e il PCB riescano davvero a formare un percorso efficace per la conduzione e la diffusione del calore.

Mobile, automotive e HPC: esigenze diverse

Il fan-out packaging è già stato utilizzato in applicazioni mobile e wireless e si sta estendendo verso i sistemi automotive e medicali. 1 Le piattaforme fan-out ad alta densità sono inoltre destinate ad applicazioni mobile e all’high-performance computing. 13

Il valore termico del FOPLP cambia però in base allo scenario:

• Dispositivi mobile: la priorità è contenere lo spessore e distribuire il calore all’interno di uno chassis compatto, generalmente senza un grande heatsink.
• Elettronica automotive: il package deve resistere a cicli termici ripetuti e a variazioni di temperatura più ampie.
• High-performance computing: la potenza totale è molto maggiore. Il package può quindi richiedere un lid, una cold plate o un’altra infrastruttura esterna di raffreddamento. Da solo, il FOPLP non sostituisce la progettazione termica dell’intero sistema.

Resistenza termica e parametri di caratterizzazione: la distinzione fondamentale

Le misure JEDEC sono significative soltanto se vengono interpretate insieme alle specifiche condizioni di prova. Una resistenza termica θ descrive un determinato percorso del flusso di calore. I parametri di caratterizzazione Ψ, invece, servono a correlare la temperatura di giunzione con una temperatura misurabile sulla parte superiore del package o sulla scheda.

La RθJC, per esempio, caratterizza il percorso junction-to-case quando il calore viene condotto intenzionalmente verso la superficie del case, come in una prova con piastra termica o heatsink. Non descrive necessariamente il flusso termico su una scheda reale, dove la potenza può distribuirsi verso la parte superiore, il PCB, le sfere o i terminali e l’ambiente circostante.

Per questo la formula:

Tj = Tc + P × RθJC

non deve essere usata come metodo generico per stimare la temperatura operativa. La guida tecnica citata per Texas Instruments sottolinea che i parametri ΨJT e ΨJB sono spesso più pratici per le applicazioni moderne montate su scheda. 13 Quando le condizioni di misura sono appropriate, gli ingegneri possono usare relazioni come:

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

ΨJT e ΨJB non sono resistenze termiche fondamentali e unidimensionali. Sono parametri di caratterizzazione che dipendono dalla configurazione di prova, dalla misurazione e dal sistema nel quale vengono applicati.

Cosa implica per Huatian una capacità «full-process»

Secondo la descrizione dell’azienda, l’approccio comprende la scelta dei materiali, la progettazione dei collegamenti e la struttura del package, utilizzando simulazioni multifisiche per migliorare la dissipazione del calore e l’affidabilità nel lungo periodo. 8

Dal punto di vista ingegneristico, un simile processo dovrebbe includere:

• la selezione di mold compound, die attach e materiali di interfaccia termica;
• la progettazione dello spessore e della posizione degli RDL in rame per favorire la diffusione del calore;
• l’individuazione e il contenimento degli hotspot;
• l’analisi congiunta della conduzione termica e delle perdite elettriche;
• la verifica del warpage e del disallineamento tra i coefficienti di espansione termica;
• la valutazione della fatica provocata dai cicli termici.

Le strutture panel-level, ampie e sottili, rendono ancora più importante l’analisi termomeccanica. Gli studi sul FOPLP hanno esaminato il comportamento dei materiali e la variazione della deformazione durante il raffreddamento; warpage e spostamento del die restano sfide riconosciute per l’affidabilità. 3

La conclusione: la promessa deve essere verificata con i dati

Il FOPLP offre a Huatian un modo per affrontare il calore a livello architetturale: ridurre gli strati strutturali non necessari, sfruttare gli RDL per interconnessioni ad alta densità e per una possibile diffusione termica, e ottimizzare materiali e geometria prima del completamento del package. Sono vantaggi plausibili della tecnologia e coerenti con l’evoluzione generale del fan-out packaging. 812

Non dimostrano però, da soli, un miglioramento termico specifico per un prodotto Huatian. Nel materiale disponibile, l’azienda non ha pubblicato valori verificati in modo indipendente relativi a resistenza termica, temperatura di giunzione o durata operativa.

La valutazione concreta deve quindi basarsi su temperature di giunzione misurate e su risultati di affidabilità ottenuti nelle reali condizioni d’uso: PCB specifico, distribuzione della potenza, sistema di raffreddamento, flusso d’aria e profilo dei cicli termici.

La domanda decisiva non è soltanto quale sia la θJC di un package, ma se l’intero sistema riesca a mantenere il chip entro i limiti di temperatura per tutta la sua vita utile.