Dlaczego opakowanie chipu staje się częścią systemu chłodzenia

Rosnąca liczba tranzystorów i wyższy pobór mocy sprawiają, że obudowa półprzewodnika przestaje być wyłącznie mechaniczną ochroną krzemowego układu. Staje się jednym z elementów rozwiązania termicznego. Huatian Technology deklaruje, że opracowała pełnoetapowe możliwości projektowania i symulacji cieplnej dla procesów fan-out packaging, tak aby problem ciepła był analizowany od początku, a nie dopiero po zmontowaniu pakietu. 8

Jedną z technologii, na których opiera się ta strategia, jest fan-out panel-level packaging (FOPLP) — obudowa typu fan-out wykonywana na dużym panelu. Jej założeniem jest stworzenie bardziej bezpośredniej i kontrolowanej drogi odprowadzania ciepła z układu przez pakiet, płytkę i system chłodzenia. Nie oznacza to jednak, że FOPLP automatycznie zapewni lepszą termikę w każdej aplikacji.

Dlaczego termika pakietu ma dziś tak duże znaczenie

Większa moc obliczeniowa skupiona na mniejszej powierzchni struktury krzemowej oznacza, że ciepło musi być odprowadzane z coraz bardziej ograniczonego obszaru. Temperatura złącza chipu zależy więc nie tylko od samego krzemu, lecz od całej ścieżki cieplnej: połączenia die attach i masy formierskiej, metalowych warstw redystrybucyjnych (RDL), powierzchni pakietu, płytki PCB, materiałów interfejsu termicznego, radiatora oraz przepływu powietrza.

Jeżeli ta ścieżka ma wysoką rezystancję cieplną albo tworzy lokalne przegrzane obszary, układ może pracować w wyższej temperaturze i mieć mniejszy margines niezawodności. Długotrwałe obciążenie cieplne sprzyja również zmęczeniu połączeń, rozwarstwianiu materiałów, różnicom rozszerzalności cieplnej i odkształceniom.

Ograniczenia obudów SOP, QFP i QFN

Tradycyjne pakiety SOP i QFP odprowadzają znaczną część ciepła przez wyprowadzenia oraz leadframe. W praktyce tworzy to zwykle dłuższą i bardziej ograniczoną drogę cieplną. Huatian zestawia tę architekturę z FOPLP, które projektuje się bez konwencjonalnego podłoża i z krótszą ścieżką odprowadzania ciepła. 6

W przypadku QFN potrzebna jest większa precyzja. Warianty z odsłoniętym padem termicznym — w tym power-QFN — mogą zapewniać skuteczne odprowadzanie ciepła do płytki. Ich ograniczenia zależą od geometrii leadframe, rozmiaru pada termicznego, powierzchni miedzi, liczby przelotek oraz możliwości rozpraszania ciepła przez PCB. Dlatego nie można uznać wszystkich obudów QFN za niewystarczające termicznie. O ich przydatności decydują moc układu i konkretna konstrukcja całego systemu.

W jaki sposób FOPLP może poprawić odprowadzanie ciepła

W obudowie fan-out połączenia układu są wyprowadzane poza obrys die za pomocą warstw redystrybucyjnych RDL, zamiast opierać się wyłącznie na tradycyjnym podłożu pakietu. Takie rozwiązanie pozwala zwiększyć gęstość połączeń i ograniczyć indukcyjność w porównaniu z niektórymi klasycznymi architekturami. 4

Typowa architektura FOPLP łączy kilka cech:

• brak konwencjonalnego podłoża pakietu,
• wysoką gęstość wejść/wyjść,
• cienki profil,
• warstwy RDL wykorzystywane do połączeń elektrycznych, a potencjalnie także do rozpraszania ciepła,
• możliwość jednoczesnej optymalizacji materiałów i geometrii.

Fraunhofer IZM opisuje fan-out jako pakiet pozbawiony podłoża, który może zapewniać znaczną miniaturyzację oraz niską rezystancję cieplną. Z kolei platforma InFO firmy TSMC pokazuje zastosowanie wysokiej gęstości RDL w urządzeniach mobilnych i systemach obliczeniowych o wysokiej wydajności. 1213

Sama mała grubość pakietu i duża liczba wejść/wyjść nie gwarantują jednak lepszej termiki. Rezultat zależy od tego, czy metalowe ścieżki, masa formierska, tylna powierzchnia die, rozpraszacz ciepła i płytka PCB tworzą faktycznie skuteczną drogę odprowadzania energii.

Inne wymagania dla urządzeń mobilnych, motoryzacji i HPC

Technologia fan-out jest już stosowana w urządzeniach mobilnych i bezprzewodowych, a jej wykorzystanie rozszerza się na elektronikę motoryzacyjną i medyczną. 1 Platformy fan-out o wysokiej gęstości są również rozwijane z myślą o urządzeniach mobilnych i obliczeniach o wysokiej wydajności. 13

Znaczenie termiczne FOPLP różni się jednak w zależności od zastosowania:

• Urządzenia mobilne: priorytetem jest niewielka grubość oraz rozpraszanie ciepła w ograniczonej przestrzeni obudowy, często bez dużego radiatora.
• Elektronika motoryzacyjna: pakiet musi wytrzymywać powtarzające się cykle cieplne i duże wahania temperatury.
• Obliczenia wysokiej wydajności: całkowita moc jest znacznie większa, dlatego oprócz pakietu mogą być potrzebne pokrywa termiczna, cold plate lub inne elementy zewnętrznego układu chłodzenia. FOPLP samo w sobie nie zastępuje termicznego projektu całego systemu.

Rezystancja cieplna a parametry charakterystyki termicznej

Pomiary zgodne ze standardami JEDEC mają sens tylko wtedy, gdy analizuje się je razem z określonymi warunkami testu. Rezystancja cieplna θ opisuje zdefiniowaną drogę przepływu ciepła. Parametry charakterystyki Ψ służą natomiast do powiązania temperatury złącza z mierzalną temperaturą na górze pakietu lub na płytce.

RθJC opisuje na przykład drogę junction-to-case, czyli od złącza do obudowy, w warunkach, w których ciepło jest celowo kierowane do powierzchni case — na przykład podczas testu z płytą termiczną lub radiatorem. Nie musi więc odzwierciedlać przepływu ciepła na rzeczywistej płytce, gdzie energia rozdziela się między górną powierzchnię pakietu, PCB, kulki lub wyprowadzenia oraz otoczenie.

Z tego powodu wzór:

Tj = Tc + P × RθJC

nie powinien być stosowany jako uniwersalna metoda wyznaczania temperatury pracy układu. Firma Texas Instruments wskazuje, że w nowoczesnych zastosowaniach montowanych na płytce często wygodniejsze są parametry charakterystyki termicznej ΨJT i ΨJB.

W odpowiednich, określonych warunkach można korzystać z zależności:

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

ΨJT i ΨJB nie są fundamentalnymi, jednowymiarowymi rezystancjami cieplnymi. To parametry charakterystyki zależne od układu pomiarowego, rozmieszczenia elementów i systemu, w którym są stosowane. Standardy JEDEC podkreślają, że wyniki pomiarów termicznych są miarodajne dla określonych warunków testowych.

Co w praktyce oznacza „full-process” w podejściu Huatian

Zgodnie z opisem firmy jej podejście obejmuje dobór materiałów, projektowanie okablowania i strukturę pakietu. Huatian wykorzystuje przy tym symulacje wielofizyczne, aby poprawiać odprowadzanie ciepła i długoterminową niezawodność. 8

Z punktu widzenia inżynierii taki proces powinien obejmować między innymi:

• dobór masy formierskiej, materiału die attach i materiałów interfejsu termicznego,
• określenie grubości i rozmieszczenia miedzianych warstw RDL wykorzystywanych do rozpraszania ciepła,
• wykrywanie i ograniczanie hotspotów,
• połączoną analizę przewodzenia cieplnego oraz strat elektrycznych,
• kontrolę odkształceń i różnicy współczynników rozszerzalności cieplnej,
• ocenę zmęczenia materiałów podczas cykli cieplnych.

Duże i cienkie struktury panel-level packaging zwiększają znaczenie analizy termomechanicznej. Badania FOPLP analizowały zachowanie materiałów i zmiany odkształceń podczas chłodzenia, a wypaczenie pakietu oraz przesunięcie die pozostają istotnymi wyzwaniami dla niezawodności. 3

Najważniejszy wniosek: deklaracje trzeba potwierdzić pomiarami

FOPLP daje Huatian możliwość zajęcia się ciepłem już na poziomie architektury pakietu: ograniczenia zbędnych warstw konstrukcyjnych, wykorzystania RDL do gęstych połączeń i potencjalnego rozpraszania ciepła oraz wspólnej optymalizacji materiałów i geometrii przed zakończeniem procesu. Są to racjonalne zalety technologii i kierunek zgodny z rozwojem fan-out packaging. 812

Nie dowodzą jednak same w sobie konkretnej poprawy termicznej w produkcie Huatian. W dostępnych materiałach firma nie przedstawiła niezależnie zweryfikowanych wartości rezystancji cieplnej, temperatury złącza ani trwałości.

Rzetelna ocena powinna opierać się na zmierzonej temperaturze złącza i wynikach testów niezawodności w rzeczywistych warunkach zastosowania: przy konkretnej płytce PCB, rozkładzie mocy, ograniczeniach chłodzenia, przepływie powietrza i profilu cykli cieplnych. Kluczowe pytanie nie brzmi więc wyłącznie: „jaka jest wartość RθJC pakietu?”, lecz: „czy cały system utrzymuje chip w bezpiecznym zakresie temperatur przez cały okres eksploatacji?”