Hvorfor chipens innpakning blir avgjørende for varmehåndtering

Når stadig flere transistorer og mer effekt presses inn på et mindre areal, blir varme et designproblem lenge før den ferdige chipen monteres i et system. Selve pakningen er ikke lenger bare et beskyttende skall – den er en del av chipens termiske løsning.

Huatian Technology opplyser at selskapet har bygget opp kapasitet for termisk design og simulering gjennom hele fan-out-prosessen. Målet er å håndtere varmen ved kilden, i stedet for å forsøke å løse problemet etter at pakningen er ferdig montert. 8

Den sentrale teknologien er fan-out panel-level packaging (FOPLP). Prinsippet kan gi en mer direkte og kontrollerbar varmevei fra chipen til pakningen, kretskortet og den øvrige kjøleløsningen. Det er likevel ikke i seg selv et bevis på bedre termisk ytelse i alle bruksområder.

Derfor er pakningens termiske design blitt kritisk

Når mer databehandling samles på et mindre die-areal, må større mengder varme fjernes fra et mer begrenset område. Temperaturen i chipens aktive område bestemmes derfor ikke bare av silisiumet. Den påvirkes av hele varmeveien:

• die attach og støpemasse,
• metallagene for omfordeling, såkalte RDL-lag,
• pakningens overflate,
• PCB-et,
• materialer mellom varmeflater,
• varmefordeler eller kjøleribbe,
• luftstrøm og øvrig systemkjøling.

En varmevei med høy termisk motstand kan føre til høyere driftstemperatur og mindre pålitelighetsmargin. Termisk belastning kan også bidra til utmattelse i forbindelser, delaminering, forskjeller i termisk utvidelse og deformasjon.

Hva er begrensningene ved SOP, QFP og QFN?

Tradisjonelle pakningstyper som SOP og QFP leder ofte mye av varmen gjennom pinner og leadframe. Det kan gi en lengre og mer begrenset varmevei. Huatian setter denne arkitekturen opp mot FOPLP, som utformes uten et konvensjonelt substrat og med en kortere termisk vei. 6

QFN må derimot vurderes mer nyansert. En QFN-pakning med eksponert pad, eller en såkalt power-QFN, kan gi en effektiv varmevei ned i kretskortet. Hvor godt den fungerer, avhenger blant annet av:

• leadframe-geometrien,
• størrelsen på den termiske paden,
• kobberarealet på PCB-et,
• antallet vias,
• kretskortets evne til å spre varmen,
• hvor mye effekt chipen faktisk utvikler.

Det er derfor misvisende å omtale alle QFN-pakninger som termisk svake. Begrensningene er avhengige av både pakningens utforming og systemet den brukes i.

Slik kan FOPLP bidra

I en fan-out-pakning føres chipens tilkoblinger utover gjennom RDL-lag, i stedet for at alle forbindelser må gå via et tradisjonelt pakningssubstrat. Denne løsningen kan støtte høyere tetthet mellom tilkoblingene og lavere induktans enn enkelte eldre arkitekturer. 4

FOPLP kombinerer typisk:

• fravær av et konvensjonelt pakningssubstrat,
• høy I/O-tetthet,
• lav pakningsprofil,
• RDL-lag som kan brukes både til elektriske forbindelser og varmefordeling,
• mulighet for å optimalisere materialer og geometri samlet.

Fraunhofer IZM beskriver fan-out som en substratløs pakning med potensial for betydelig miniatyrisering og lav termisk motstand. TSMCs InFO-plattform viser samtidig hvordan RDL-lag med høy tetthet brukes i mobile løsninger og databehandling med høy ytelse. 1213

Men lav tykkelse og høy I/O-tetthet gir ikke automatisk bedre varmeegenskaper. Forbedringen avhenger av om kobberføringene, støpemassen, baksiden av chipen, varmefordeleren og PCB-et faktisk danner en effektiv varmevei.

Ulike krav i mobil, bil og HPC

Fan-out-pakninger har allerede vært brukt i mobile og trådløse produkter, og teknologien beveger seg også inn i bil- og medisinske systemer. 1 Plattformene brukes dessuten i mobile løsninger og i databehandling med høy ytelse. 13

Den termiske verdien av FOPLP varierer imidlertid mellom bruksområdene:

• Mobile enheter: Her er lav tykkelse viktig, samtidig som varmen må spres i et trangt kabinett uten en stor kjøleribbe.
• Bilelektronikk: Pakningen må tåle gjentatte temperatursykluser og store temperaturendringer over tid.
• High-performance computing: Den totale effekten er langt høyere. Pakningen kan derfor trenge lokk, cold plate eller annen ekstern kjøleinfrastruktur. FOPLP erstatter ikke systemets øvrige termiske design.

Termisk motstand er ikke det samme som en karakteriseringsparameter

JEDEC-standardene for termiske målinger gir meningsfulle resultater bare når de spesifikke testforholdene tas med i vurderingen. En termisk motstand, θ, beskriver en definert vei for varmestrøm. Karakteriseringsparametere med symbolet Ψ brukes derimot til å knytte chipens junction-temperatur til en temperatur som kan måles på toppen av pakningen eller på kretskortet.

RθJC beskriver for eksempel en junction-to-case-vei der varmen med hensikt ledes mot pakningens overflate, slik som i en test med kjøleplate eller kjøleribbe. Det er ikke nødvendigvis den samme varmefordelingen som oppstår på et virkelig kretskort, der varmen kan gå både oppover, ned i PCB-et, gjennom loddekuler eller pinner og ut i omgivelsene.

Derfor bør formelen

Tj = Tc + P × RθJC

ikke brukes som en generell metode for å anslå chipens driftstemperatur. Texas Instruments peker på at ΨJT og ΨJB ofte er mer praktiske i moderne, kortmonterte løsninger.

Når testforholdene passer, kan ingeniører bruke relasjoner som:

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

ΨJT og ΨJB er ikke grunnleggende, endimensjonale termiske motstander. De er empiriske karakteriseringsparametere som avhenger av oppsettet, målingen og systemet de brukes i.

Hva innebærer Huatian Technologys «full-prosess»-tilnærming?

Ifølge selskapets beskrivelse omfatter tilnærmingen materialvalg, ledningsføring og pakningsstruktur. Disse faktorene analyseres samlet ved hjelp av multiphysicsimulering for å forbedre varmeavledningen og den langsiktige påliteligheten. 8

Fra et ingeniørperspektiv bør en slik prosess blant annet omfatte:

• valg av støpemasse, die-attach og materialer for termiske grensesnitt,
• utforming av tykkelse og plassering for kobberbaserte RDL-lag,
• identifisering og begrensning av hotspots,
• kombinert analyse av varmeledning og elektriske effekttap,
• kontroll av warpage og forskjeller i termisk utvidelseskoeffisient,
• vurdering av utmattelse under termiske sykluser.

Store og tynne panelstrukturer gjør den termomekaniske analysen ekstra viktig. Studier av FOPLP har undersøkt hvordan materialene oppfører seg og hvordan deformasjonen endres under avkjøling. Warpage og forskyvning av chipen er fortsatt kjente pålitelighetsutfordringer i panel-level packaging. 3

Den viktige konklusjonen: Påstanden må etterprøves

FOPLP gir Huatian Technology en måte å ta hensyn til varme allerede på arkitekturnivå. Selskapet kan redusere unødvendige strukturlag, bruke RDL til tett sammenkobling og mulig varmefordeling, og optimalisere materialer og geometri før pakningen ferdigstilles. Dette er plausible fordeler ved fan-out-teknologi og samsvarer med den bredere utviklingen innen avansert chipinnpakning. 812

Det dokumenterer likevel ikke en bestemt termisk forbedring for et konkret Huatian-produkt. I det tilgjengelige materialet har selskapet ikke publisert uavhengig verifiserte tall for termisk motstand, junction-temperatur eller levetid.

Den reelle vurderingen må derfor bygge på målte junction-temperaturer og pålitelighetsresultater under de faktiske forholdene i bruksområdet: det konkrete PCB-et, effektfordelingen, kjølegrensen, luftstrømmen og profilen for termiske sykluser.

Det avgjørende spørsmålet er dermed ikke bare hvilken θJC en pakning har. Det er om hele systemet klarer å holde chipen innenfor temperaturgrensene gjennom hele levetiden.