ทำไม FOPLP ของ Huatian Technology จึงถูกจับตาในศึกจัดการความร้อนของชิป

แพ็กเกจชิปกำลังกลายเป็นด่านสำคัญของการระบายความร้อน

เมื่อจำนวนทรานซิสเตอร์และกำลังไฟฟ้าเพิ่มขึ้น ความร้อนจะถูกรวมอยู่ในพื้นที่ไดที่เล็กลง ทำให้การออกแบบแพ็กเกจไม่ใช่เพียงการห่อหุ้มและปกป้องซิลิคอนอีกต่อไป แต่เป็นส่วนหนึ่งของเส้นทางระบายความร้อนตั้งแต่ระดับชิปไปจนถึงระบบ

Huatian Technology ระบุว่า บริษัทได้พัฒนาความสามารถด้านการออกแบบและจำลองพฤติกรรมความร้อนตลอดกระบวนการของ fan-out packaging เพื่อจัดการความร้อนตั้งแต่ต้นทาง แทนที่จะรอแก้ปัญหาหลังประกอบแพ็กเกจเสร็จแล้ว 8

อุณหภูมิรอยต่อของชิป หรือ junction temperature ไม่ได้ขึ้นอยู่กับตัว silicon เพียงอย่างเดียว แต่ขึ้นอยู่กับเส้นทางความร้อนทั้งหมด ตั้งแต่ die attach และ mold compound, ชั้นโลหะสำหรับกระจายการเชื่อมต่อ (RDL), พื้นผิวแพ็กเกจ, PCB, วัสดุเชื่อมต่อทางความร้อน, heatsink ไปจนถึงการไหลเวียนของอากาศ

หากเส้นทางดังกล่าวมีความต้านทานความร้อนสูงหรือก่อให้เกิดจุดร้อน (hotspot) อุปกรณ์อาจทำงานที่อุณหภูมิสูงขึ้นและมีระยะเผื่อด้านความน่าเชื่อถือน้อยลง ความเครียดจากความร้อนยังเชื่อมโยงกับความล้าของจุดเชื่อมต่อ การแยกชั้นของวัสดุ การขยายตัวเนื่องจากความร้อน และการโก่งตัวของแพ็กเกจ

ข้อจำกัดของ SOP, QFP และ QFN

แพ็กเกจแบบดั้งเดิมอย่าง SOP และ QFP มักถ่ายเทความร้อนผ่านขาและ leadframe ส่งผลให้เส้นทางความร้อนยาวและมีข้อจำกัดมากกว่า Huatian จึงนำโครงสร้างเหล่านี้มาเปรียบเทียบกับ FOPLP ซึ่งออกแบบให้ไม่ต้องพึ่งพาซับสเตรตแบบดั้งเดิมและมีเส้นทางความร้อนที่สั้นลง 6

อย่างไรก็ตาม QFN ต้องพิจารณาเป็นกรณี ๆ ไป ไม่ควรเหมารวมว่า QFN ทุกชนิดระบายความร้อนได้ไม่ดี เพราะ QFN ที่มี exposed pad หรือ power-QFN สามารถสร้างเส้นทางความร้อนที่มีประสิทธิภาพลงสู่ PCB ได้

ข้อจำกัดของ QFN จึงขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย เช่น รูปทรงของ leadframe ขนาด thermal pad พื้นที่ทองแดง จำนวนและตำแหน่ง vias รวมถึงความสามารถของ PCB ในการกระจายความร้อน เมื่อกำลังไฟและความหนาแน่นพลังงานของไดเพิ่มขึ้น ปัจจัยเหล่านี้อาจกลายเป็นคอขวดของระบบ

FOPLP ช่วยจัดการความร้อนได้อย่างไร

Fan-out packaging ใช้ชั้น RDL กระจายจุดเชื่อมต่อของไดออกไปด้านนอก แทนการพึ่งพาซับสเตรตแพ็กเกจแบบเดิมทั้งหมด แนวทางนี้ช่วยรองรับการเชื่อมต่อที่มีความหนาแน่นสูงและค่าความเหนี่ยวนำต่ำกว่าโครงสร้างแบบดั้งเดิมบางประเภท 4

จุดเด่นที่มักเชื่อมโยงกับ FOPLP ได้แก่

• ไม่ต้องใช้ package substrate แบบเดิม
• รองรับ I/O ความหนาแน่นสูง
• มีรูปทรงบาง
• ใช้ RDL ได้ทั้งสำหรับการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าและช่วยกระจายความร้อน
• เปิดทางให้ปรับวัสดุและรูปทรงแพ็กเกจร่วมกันตั้งแต่ขั้นออกแบบ

Fraunhofer IZM อธิบายว่า fan-out เป็นแพ็กเกจที่ไม่ใช้ซับสเตรตและมีศักยภาพในการลดขนาด รวมถึงลดความต้านทานความร้อน ขณะที่เทคโนโลยี InFO ของ TSMC แสดงให้เห็นการใช้ RDL ความหนาแน่นสูงในแอปพลิเคชันมือถือและการประมวลผลประสิทธิภาพสูง 1213

แต่ความบางและจำนวน I/O ที่มากขึ้นไม่ได้หมายความว่าจะทำให้ประสิทธิภาพความร้อนดีขึ้นโดยอัตโนมัติ ผลลัพธ์จริงขึ้นอยู่กับว่าเส้นทางทองแดง mold compound ด้านหลังได heat spreader และ PCB สามารถทำงานร่วมกันเป็นเส้นทางระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพได้หรือไม่

พูดอีกอย่างคือ FOPLP อาจช่วยลดชั้นโครงสร้างที่ไม่จำเป็นและทำให้ควบคุมเส้นทางความร้อนได้มากขึ้น แต่ยังต้องออกแบบทั้งแพ็กเกจและระบบให้สอดคล้องกัน

ความต้องการแตกต่างกันในมือถือ รถยนต์ และ HPC

Fan-out packaging ถูกนำไปใช้ในงานมือถือและระบบไร้สายแล้ว และกำลังขยายไปสู่อุปกรณ์ยานยนต์และการแพทย์ ขณะที่แพลตฟอร์ม fan-out ความหนาแน่นสูงก็ถูกวางตำแหน่งสำหรับมือถือและการประมวลผลประสิทธิภาพสูงเช่นกัน 113

บทบาทของ FOPLP จะแตกต่างกันไปตามประเภทการใช้งาน

• อุปกรณ์มือถือ: ให้ความสำคัญกับความบางและการกระจายความร้อนภายในตัวเครื่องที่มีพื้นที่จำกัด โดยมักไม่มี heatsink ขนาดใหญ่
• อิเล็กทรอนิกส์ยานยนต์: ต้องรับมือกับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิและการหมุนเวียนของ thermal cycle ซ้ำ ๆ เป็นเวลานาน
• การประมวลผลประสิทธิภาพสูง: ต้องระบายกำลังความร้อนรวมที่สูงกว่ามาก แพ็กเกจอาจต้องใช้ lid, cold plate หรือโครงสร้างระบายความร้อนภายนอกอื่น ๆ ดังนั้น FOPLP ไม่ได้เข้ามาแทนที่การออกแบบระบบระบายความร้อนทั้งหมด

RθJC ไม่ใช่คำตอบเดียวสำหรับอุณหภูมิชิป

จุดที่มักสร้างความสับสนในการออกแบบระบบความร้อนคือการแยกความแตกต่างระหว่าง “ความต้านทานความร้อน” กับ “พารามิเตอร์บ่งชี้ลักษณะความร้อน” ตามแนวทางของ JEDEC

ความต้านทานความร้อน θ อธิบายเส้นทางการไหลของความร้อนภายใต้เงื่อนไขที่กำหนด ส่วนพารามิเตอร์ Ψ ใช้เชื่อมโยงอุณหภูมิรอยต่อกับอุณหภูมิที่วัดได้จริง เช่น อุณหภูมิด้านบนของแพ็กเกจหรืออุณหภูมิบนบอร์ด

ตัวอย่างเช่น RθJC ใช้บ่งชี้เส้นทางจาก junction ไปยัง case เมื่อมีการจงใจดึงความร้อนออกผ่านพื้นผิว case เช่น การทดสอบที่ใช้แผ่นความร้อนหรือ heatsink เงื่อนไขดังกล่าวไม่ได้สะท้อนการทำงานบน PCB จริงเสมอไป เพราะในระบบจริงความร้อนอาจกระจายไปยังด้านบน PCB บอลหรือขาแพ็กเกจ และอากาศโดยรอบ

ดังนั้นสมการต่อไปนี้

Tj = Tc + P × RθJC

จึงไม่ควรถูกนำไปใช้เป็นสูตรทั่วไปเพื่อประเมินอุณหภูมิรอยต่อระหว่างการทำงานจริง Texas Instruments ระบุว่า ΨJT และ ΨJB มักเหมาะสมกว่าเมื่อต้องประเมินอุณหภูมิรอยต่อของอุปกรณ์ที่ติดตั้งบนบอร์ดสมัยใหม่

ภายใต้ชุดเงื่อนไขที่เหมาะสม วิศวกรอาจใช้ความสัมพันธ์ เช่น

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

อย่างไรก็ดี ΨJT และ ΨJB ไม่ใช่ความต้านทานความร้อนพื้นฐานแบบมิติเดียว แต่เป็นพารามิเตอร์จากการทดสอบและการจำแนกลักษณะ ซึ่งขึ้นอยู่กับโครงสร้าง อุปกรณ์วัด และระบบที่นำไปใช้งาน

“Full-process” ของ Huatian หมายถึงอะไรในทางวิศวกรรม

ตามคำอธิบายของบริษัท แนวทางดังกล่าวครอบคลุมการเลือกวัสดุ การออกแบบการเดินสาย และโครงสร้างแพ็กเกจ โดยใช้การจำลองแบบหลายฟิสิกส์ (multiphysics simulation) เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการระบายความร้อนและความน่าเชื่อถือในระยะยาว 8

ในทางปฏิบัติ กระบวนการลักษณะนี้ควรครอบคลุมเรื่องสำคัญหลายด้าน ได้แก่

• การเลือก mold compound, die attach และวัสดุเชื่อมต่อทางความร้อน
• การกำหนดความหนาและตำแหน่งของ RDL ทองแดงเพื่อช่วยกระจายความร้อน
• การระบุและลดจุดร้อนในโครงสร้าง
• การวิเคราะห์การนำความร้อนควบคู่กับการสูญเสียทางไฟฟ้าและการกระจายกระแส
• การตรวจสอบ warpage และความไม่สอดคล้องของสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน
• การประเมินความล้าจากการทดสอบ thermal cycling

โครงสร้าง panel-level packaging ที่มีขนาดใหญ่และบางทำให้การวิเคราะห์เชิงเทอร์โมแมคคานิกส์มีความสำคัญมากขึ้น งานวิจัยเกี่ยวกับ FOPLP ได้ศึกษาพฤติกรรมของวัสดุและการเปลี่ยนแปลงของการโก่งตัวระหว่างการเย็นตัว โดย warpage และ die shift ยังคงเป็นความท้าทายด้านความน่าเชื่อถือที่ต้องควบคุม 3

บทสรุป: คำกล่าวอ้างต้องพิสูจน์ด้วยข้อมูลวัดจริง

FOPLP เปิดโอกาสให้ Huatian จัดการความร้อนตั้งแต่ระดับสถาปัตยกรรมของแพ็กเกจ ด้วยการลดชั้นโครงสร้างที่ไม่จำเป็น ใช้ RDL เพื่อการเชื่อมต่อความหนาแน่นสูงและอาจช่วยกระจายความร้อน รวมถึงปรับวัสดุและรูปทรงให้เหมาะสมก่อนแพ็กเกจจะเสร็จสมบูรณ์ แนวคิดเหล่านี้สอดคล้องกับจุดเด่นที่มักกล่าวถึงในเทคโนโลยี fan-out packaging 812

แต่ข้อได้เปรียบเชิงโครงสร้างเหล่านี้ยังไม่ใช่หลักฐานว่าแพ็กเกจของ Huatian จะมีประสิทธิภาพความร้อนดีขึ้นในทุกผลิตภัณฑ์ ข้อมูลที่มีอยู่ยังไม่ได้เปิดเผยค่าความต้านทานความร้อน อุณหภูมิรอยต่อ หรืออายุการใช้งานที่ผ่านการตรวจสอบโดยหน่วยงานอิสระ

การประเมินที่มีความหมายจึงต้องอาศัยอุณหภูมิ junction ที่วัดได้จริงและผลทดสอบความน่าเชื่อถือภายใต้เงื่อนไขของการใช้งาน เช่น PCB ที่กำหนด การกระจายกำลังไฟ ขอบเขตการระบายความร้อน การไหลเวียนของอากาศ และรูปแบบ thermal cycling

คำถามสำคัญจึงไม่ใช่เพียง “แพ็กเกจนี้มีค่า θJC เท่าไร” แต่คือ “ระบบทั้งหมดสามารถรักษาอุณหภูมิของชิปให้อยู่ในขอบเขตที่กำหนดได้ตลอดอายุการใช้งานหรือไม่”