Mengapa reka bentuk terma pakej menjadi semakin penting untuk cip berkuasa tinggi

Apabila ketumpatan transistor dan penggunaan kuasa meningkat, pakej cip bukan lagi sekadar pelindung. Ia kini menjadi sebahagian daripada penyelesaian pengurusan haba.

Huatian Technology menyatakan bahawa syarikat itu telah membangunkan keupayaan reka bentuk dan simulasi tingkah laku terma sepanjang proses fan-out packaging. Matlamatnya adalah menangani haba sejak peringkat awal reka bentuk, bukan cuba membaikinya selepas cip dipasang. 8

Janji utama fan-out panel-level packaging (FOPLP) ialah laluan haba yang lebih terus dan terkawal daripada die ke pakej, papan litar serta sistem penyejukan. Pendekatan ini berpotensi membantu peranti dengan ketumpatan kuasa tinggi, tetapi FOPLP semata-mata bukan bukti bahawa setiap aplikasi akan mencapai prestasi terma yang lebih baik.

Mengapa reka bentuk terma pakej semakin kritikal

Lebih banyak fungsi pengkomputeran kini dihimpunkan pada kawasan die yang lebih kecil. Akibatnya, haba perlu dikeluarkan dari kawasan yang semakin terhad.

Suhu simpang cip tidak hanya ditentukan oleh silikon. Ia bergantung pada keseluruhan laluan haba, termasuk die attach dan mold compound, lapisan logam redistribution (RDL), permukaan pakej, PCB, bahan antara muka terma, heatsink dan aliran udara.

Jika laluan ini mempunyai rintangan terma yang tinggi atau menghasilkan titik panas (hotspot), cip mungkin beroperasi pada suhu lebih tinggi dan mempunyai margin kebolehpercayaan yang lebih kecil. Tekanan terma juga boleh mempercepatkan keletihan sambungan, penyahlekatan bahan, pengembangan terma dan perubahan bentuk pakej.

Batasan SOP, QFP dan QFN

Pakej tradisional seperti SOP dan QFP biasanya memindahkan sebahagian besar haba melalui pin serta leadframe. Ini lazimnya menghasilkan laluan haba yang lebih panjang dan terhad. Huatian membandingkan seni bina tersebut dengan FOPLP, yang direka tanpa substrat konvensional dan dengan laluan haba yang lebih pendek. 6

Namun, QFN perlu dinilai dengan lebih berhati-hati. QFN yang mempunyai exposed pad atau reka bentuk power-QFN boleh menyediakan laluan haba yang berkesan ke papan litar.

Batasan QFN bergantung pada beberapa faktor, termasuk geometri leadframe, saiz pad terma, keluasan kuprum, vias dan keupayaan PCB menyebarkan haba. Jadi, tidak tepat untuk menganggap semua QFN tidak mencukupi dari segi terma. Kesesuaiannya bergantung pada kuasa die dan sistem tempat pakej itu digunakan.

Bagaimana FOPLP boleh membantu

Dalam fan-out packaging, sambungan die disusun semula ke arah luar melalui lapisan RDL, bukannya bergantung sepenuhnya pada substrat pakej konvensional. Pendekatan ini menyokong ketumpatan interkoneksi yang lebih tinggi dan induktans yang lebih rendah berbanding sesetengah seni bina tradisional. 4

Secara umum, seni bina FOPLP menggabungkan:

• ketiadaan substrat pakej konvensional;
• ketumpatan I/O yang tinggi;
• profil pakej yang nipis;
• RDL yang boleh digunakan untuk sambungan elektrik dan, bergantung pada reka bentuk, membantu penyebaran haba; dan
• pengoptimuman bahan serta geometri secara bersama.

Fraunhofer IZM menerangkan fan-out sebagai pakej tanpa substrat yang berpotensi memberikan pengecilan ketara dan rintangan terma yang rendah. Teknologi InFO TSMC pula menunjukkan bagaimana RDL berketumpatan tinggi boleh digunakan dalam aplikasi mudah alih dan pengkomputeran berprestasi tinggi. 1213

Walau bagaimanapun, pakej yang nipis dan ketumpatan I/O yang tinggi tidak secara automatik menjadikan prestasi terma lebih baik. Hasilnya bergantung pada sama ada laluan kuprum, mold compound, bahagian belakang die, heat spreader dan PCB benar-benar membentuk laluan haba yang berkesan.

Keperluan berbeza untuk mudah alih, automotif dan HPC

Fan-out packaging telah digunakan dalam aplikasi mudah alih dan tanpa wayar, dan kini berkembang ke sistem automotif serta perubatan. 1 Platform fan-out berketumpatan tinggi juga disasarkan untuk aplikasi mudah alih dan pengkomputeran berprestasi tinggi. 13

Nilai terma FOPLP berbeza mengikut sistem:

• Peranti mudah alih: Keutamaan ialah profil nipis dan penyebaran haba dalam ruang peranti yang terhad, biasanya tanpa heatsink besar.
• Elektronik automotif: Pakej perlu menahan kitaran terma berulang serta perubahan suhu yang besar.
• Pengkomputeran berprestasi tinggi: Jumlah kuasa yang jauh lebih tinggi mungkin memerlukan lid, cold plate atau infrastruktur penyejukan luaran yang lain. FOPLP tidak menggantikan reka bentuk terma pada peringkat sistem.

Rintangan terma bukan sama dengan parameter pencirian terma

Pengukuran JEDEC hanya bermakna apabila dibaca bersama keadaan ujian yang khusus. Rintangan terma θ menerangkan laluan aliran haba yang ditetapkan. Sebaliknya, parameter pencirian Ψ digunakan untuk menghubungkan suhu simpang dengan suhu yang boleh diukur pada bahagian atas pakej atau pada papan litar.

Sebagai contoh, RθJC mencirikan laluan junction-to-case apabila haba sengaja diarahkan ke permukaan case, seperti dalam ujian menggunakan plat terma atau heatsink. Ia tidak semestinya menggambarkan aliran haba pada PCB sebenar, kerana kuasa mungkin tersebar ke bahagian atas pakej, PCB, bebola atau pin, serta persekitaran.

Oleh itu, formula berikut tidak wajar digunakan sebagai kaedah umum untuk menganggarkan suhu operasi:

Tj = Tc + P × RθJC

Panduan Texas Instruments menyatakan bahawa parameter ΨJT dan ΨJB sering lebih sesuai untuk aplikasi moden yang dipasang pada papan litar. 13 Apabila keadaan pengukuran bersesuaian, jurutera boleh menggunakan hubungan seperti:

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

ΨJT dan ΨJB bukan rintangan terma asas satu dimensi. Kedua-duanya ialah parameter pencirian yang bergantung pada susun atur, kaedah pengukuran dan sistem penggunaannya.

Apakah maksud keupayaan “full-process” Huatian?

Menurut penerangan syarikat, pendekatan Huatian meliputi pemilihan bahan, reka bentuk pendawaian dan struktur pakej. Ia turut menggunakan simulasi multifizik untuk meningkatkan pelesapan haba serta kebolehpercayaan jangka panjang. 8

Dari sudut kejuruteraan, proses seperti ini sepatutnya menggabungkan:

• pemilihan mold compound, die attach dan bahan antara muka terma;
• penentuan ketebalan serta kedudukan RDL kuprum untuk membantu penyebaran haba;
• pengesanan dan pengurangan titik panas;
• analisis serentak terhadap pengaliran haba dan kehilangan elektrik;
• kawalan warpage serta ketidakpadanan pekali pengembangan terma; dan
• penilaian keletihan akibat kitaran terma.

Struktur panel-level packaging yang besar dan nipis menjadikan analisis termomekanikal semakin penting. Kajian terhadap FOPLP telah meneliti tingkah laku bahan dan perubahan bentuk ketika pakej menyejuk. Warpage serta peralihan die kekal sebagai cabaran kebolehpercayaan yang diiktiraf. 3

Kesimpulan: dakwaan teknologi perlu disokong ukuran sebenar

FOPLP memberi Huatian satu cara untuk menangani haba pada peringkat seni bina pakej. Ia boleh mengurangkan lapisan struktur yang tidak diperlukan, menggunakan RDL untuk interkoneksi berketumpatan tinggi dan berpotensi membantu penyebaran haba, serta mengoptimumkan bahan dan geometri sebelum pakej disiapkan. Kelebihan ini munasabah dan selari dengan hala tuju umum fan-out packaging. 812

Namun, semua itu belum membuktikan peningkatan terma tertentu bagi produk Huatian. Berdasarkan bahan yang tersedia, syarikat belum mendedahkan nilai rintangan terma, suhu simpang atau jangka hayat yang disahkan secara bebas.

Penilaian yang bermakna perlu berdasarkan suhu simpang yang diukur serta keputusan ujian kebolehpercayaan dalam keadaan aplikasi sebenar: PCB tertentu, taburan kuasa, batas penyejukan, aliran udara dan profil kitaran terma.

Persoalan penting bukan sekadar berapakah nilai θJC sesebuah pakej, tetapi sama ada keseluruhan sistem mampu mengekalkan cip dalam had suhu yang selamat sepanjang hayat operasinya.