FOPLP Huatian Technology: как упаковка помогает отводить тепло от мощных чипов

Рост числа транзисторов и энергопотребления на небольшой площади кристалла делает тепловой дизайн корпуса частью самого чипа. Huatian Technology утверждает, что создала систему проектирования и моделирования тепловых характеристик на протяжении всего процесса fan-out packaging — чтобы решать проблему нагрева ещё на этапе разработки, а не после сборки. 8

Главная идея fan-out panel-level packaging (FOPLP) — сформировать более короткий и контролируемый путь от кристалла к корпусу, печатной плате и системе охлаждения. Это может быть особенно важно для компонентов с высокой плотностью мощности. Но само по себе применение FOPLP ещё не доказывает превосходство по тепловым характеристикам в любой конкретной системе.

Почему корпус чипа стал частью системы охлаждения

Чем больше вычислительных функций сосредоточено на меньшей площади кристалла, тем выше тепловая нагрузка на ограниченную область. Температура перехода микросхемы зависит не только от кремния. Тепло проходит через die attach и компаунд, металлические слои перераспределения (RDL), поверхность корпуса, PCB, материалы теплового интерфейса, радиатор и воздушный поток.

Если этот путь обладает высокой тепловой сопротивляемостью или в нём возникают локальные перегретые зоны, чип может работать при более высокой температуре и иметь меньший запас надёжности. Тепловые циклы также ускоряют усталость соединений, расслоение материалов, деформацию из-за различий коэффициентов теплового расширения и другие механизмы отказа.

Где ограничены SOP, QFP и QFN

Традиционные корпуса SOP и QFP отводят значительную часть тепла через выводы и leadframe — металлическую рамку корпуса. В результате тепловой путь обычно получается более длинным и ограниченным. Huatian противопоставляет такую архитектуру FOPLP, в котором традиционная подложка может отсутствовать, а путь отвода тепла — сокращаться. 6

С QFN ситуация сложнее. Варианты с открытой теплоотводящей площадкой (exposed pad) или power-QFN способны эффективно передавать тепло на плату. Их результат зависит от геометрии leadframe, площади тепловой площадки, медного покрытия PCB, переходных отверстий (vias) и способности самой платы распределять тепло.

Поэтому некорректно считать все QFN термически неэффективными. Их пригодность определяется мощностью кристалла и всей системой, в которой используется корпус.

Как FOPLP может улучшить теплоотвод

В fan-out packaging выводы кристалла перераспределяются наружу через слои RDL, а не подключаются исключительно через традиционную корпусную подложку. Это позволяет поддерживать высокую плотность межсоединений и в ряде архитектур снижать паразитную индуктивность. 4

Типичная FOPLP-архитектура сочетает:

• отсутствие традиционной package substrate;
• высокую плотность I/O;
• тонкий профиль;
• RDL, который используется для электрических соединений и может участвовать в распределении тепла;
• совместную оптимизацию материалов, геометрии и конструкции корпуса.

Fraunhofer IZM описывает fan-out как корпус без подложки, способный обеспечить значительное уменьшение размеров и низкое тепловое сопротивление. Технология InFO компании TSMC показывает, как высокоплотные RDL применяются в мобильных устройствах и системах высокопроизводительных вычислений. 1213

Однако малый размер и высокая плотность I/O не улучшают теплоотвод автоматически. Важен весь маршрут: медные проводники, компаунд, задняя сторона кристалла, тепло распределяющая пластина, PCB и внешний радиатор должны образовывать действительно эффективную тепловую систему.

Разные требования для мобильных устройств, автомобилей и HPC

Fan-out packaging уже используется в мобильных и беспроводных устройствах и постепенно распространяется на автомобильную и медицинскую электронику. 1 Высокоплотные fan-out-платформы также рассматриваются для мобильных решений и high-performance computing. 13

Тепловая ценность FOPLP зависит от сценария применения:

• Мобильные устройства. Важны минимальная толщина и распределение тепла внутри компактного корпуса, где обычно нет места для крупного радиатора.
• Автомобильная электроника. Корпус должен выдерживать многочисленные температурные циклы и широкие перепады температуры.
• Высокопроизводительные вычисления. Общая мощность значительно выше, поэтому одному корпусу может потребоваться дополнительная инфраструктура: крышка, cold plate или другая система отвода тепла. FOPLP не заменяет тепловой дизайн всей платформы.

Почему нельзя путать RθJC с параметрами Ψ

Стандарты JEDEC дают смысл тепловым измерениям только при соблюдении конкретных условий испытаний. Тепловое сопротивление θ описывает заданный путь прохождения тепла. Параметры Ψ, напротив, используются для связи температуры перехода с измеряемой температурой на верхней поверхности корпуса или на плате.

Например, RθJC характеризует путь junction-to-case, когда тепло намеренно отводится через поверхность корпуса — как при испытании с теплоотводящей пластиной или радиатором. В реальной плате тепловой поток распределяется между верхней частью корпуса, PCB, выводами или шариками и окружающей средой.

Поэтому формулу

Tj = Tc + P × RθJC

нельзя использовать как универсальный способ оценки рабочей температуры перехода. Texas Instruments указывает, что для современных компонентов, установленных на плате, часто удобнее применять параметры ΨJT и ΨJB. 13 При соответствующих условиях измерения используются зависимости:

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

ΨJT и ΨJB — это не фундаментальные одномерные тепловые сопротивления. Это параметры характеризации, зависящие от конфигурации, методики измерения и системы применения.

Что означает заявленная Huatian «full-process» компетенция

Согласно описанию компании, её подход охватывает выбор материалов, проектирование разводки и конструкцию корпуса. Для повышения эффективности теплоотвода и долговременной надёжности используется мультифизическое моделирование. 8

С инженерной точки зрения такая работа должна включать:

• выбор компаунда, материалов die attach и теплового интерфейса;
• определение толщины и расположения медных RDL, способных распределять тепло;
• поиск и ограничение локальных перегревов;
• совместный анализ теплопроводности, электрических потерь и распределения тока;
• контроль warpage — изгиба и деформации панели или корпуса;
• оценку несоответствия коэффициентов теплового расширения;
• проверку усталости соединений при температурных циклах.

Большие и тонкие структуры panel-level packaging повышают значение термомеханического анализа. Исследования FOPLP рассматривают поведение материалов и изменение деформации при охлаждении, а warpage и смещение кристалла остаются признанными проблемами надёжности. 3

Главное: технологическая заявка должна подтверждаться данными

FOPLP даёт Huatian возможность решать задачу нагрева на уровне архитектуры корпуса: убирать лишние конструктивные слои, использовать RDL для плотных межсоединений и потенциального распределения тепла, а также совместно оптимизировать материалы и геометрию ещё до завершения сборки. Это логичные преимущества fan-out packaging, соответствующие общему направлению развития технологии. 812

Но они сами по себе не доказывают конкретное улучшение тепловых характеристик продукта Huatian. В доступных материалах компания не приводит независимые подтверждённые значения теплового сопротивления, температуры перехода или срока службы.

Поэтому оценивать такую разработку следует по измеренной температуре junction и результатам испытаний на надёжность в реальных условиях применения: с конкретной PCB, картой энергопотребления, заданной системой охлаждения, воздушным потоком и профилем температурных циклов.

Правильный вопрос заключается не только в том, каково значение θJC у корпуса. Важно, способен ли весь модуль удерживать чип в допустимом температурном диапазоне на протяжении всего срока службы.