Huatian Technology, FOPLP ile çiplerin ısınma sorununu nasıl çözmeyi hedefliyor?

Transistör sayısı ve güç tüketimi arttıkça, çip paketleri artık yalnızca silikonu koruyan dış kabuklar olmaktan çıkıyor. Paket; ısının çipten karta, soğutucuya ve çevreye nasıl aktarılacağını belirleyen aktif bir tasarım katmanına dönüşüyor.

Huatian Technology, fan-out panel-level packaging (FOPLP) alanında termal tasarım ve simülasyonu sürecin başına taşıdığını belirtiyor. Şirketin yaklaşımı; ısı sorununu paket montajından sonra çözmeye çalışmak yerine malzemeleri, kablolamayı ve paket geometrisini en baştan birlikte optimize etmeye dayanıyor. 8

Çip paketlemesinde ısı neden bu kadar önemli?

Daha fazla hesaplama işlevi daha küçük bir die alanında toplandığında, ısı daha dar bir bölgeden uzaklaştırılmak zorunda kalıyor. Bu nedenle çipin bağlantı sıcaklığı yalnızca silikonun özelliklerine bağlı değil. Isının izlediği tüm yol önem taşıyor:

• die attach ve kalıp bileşiği,
• bakır yeniden dağıtım katmanları (RDL),
• paket yüzeyi,
• PCB üzerindeki bakır alanı ve vias’lar,
• termal arayüz malzemeleri,
• ısı yayıcı veya heatsink,
• hava akışı ve sistem soğutması.

Bu yolun herhangi bir bölümünde yüksek termal direnç veya yerel sıcak nokta oluşması, çipin daha yüksek sıcaklıkta çalışmasına ve güvenilirlik marjının azalmasına neden olabilir. Uzun süreli termal zorlanma; bağlantıların yorulması, malzemelerin ayrışması, farklı ısıl genleşme oranları ve deformasyon gibi sorunları da hızlandırabilir.

SOP, QFP ve QFN paketlerinin sınırları

Geleneksel SOP ve QFP paketleri ısının önemli bölümünü pinler ve leadframe üzerinden taşır. Bu yapı, özellikle yüksek güç yoğunluğuna sahip çiplerde daha uzun ve kısıtlı bir termal yol oluşturabilir. Huatian, FOPLP’yi bu tür geleneksel mimarilere kıyasla daha kısa bir ısı yolu sunan, geleneksel alt tabaka gerektirmeyen bir seçenek olarak konumlandırıyor. 6

QFN içinse daha dikkatli bir değerlendirme gerekiyor. Exposed pad veya power-QFN kullanan bir paket, ısıyı PCB’ye oldukça etkili biçimde aktarabilir. Ancak sonuç; leadframe geometrisine, termal pad’e, PCB’deki bakır alanına, via düzenine ve kartın ısıyı yayma kapasitesine bağlıdır. Bu nedenle tüm QFN paketlerini termal açıdan yetersiz ilan etmek doğru olmaz. Uygunluk, çipin güç seviyesi ve kullanıldığı sistemle birlikte değerlendirilmelidir.

FOPLP’nin termal avantajı nereden geliyor?

Fan-out paketlemede, çip bağlantıları yalnızca geleneksel bir paket alt tabakasına yönlendirilmez. Bağlantılar, yeniden dağıtım katmanları (RDL) üzerinden çip alanının dışına taşınır. Bu yaklaşım yüksek bağlantı yoğunluğunu destekler ve bazı geleneksel mimarilere göre daha düşük parazitik endüktans sağlayabilir. 4

FOPLP’nin öne çıkan yapısal özellikleri şunlardır:

• geleneksel paket alt tabakasının bulunmaması,
• yüksek I/O yoğunluğu,
• ince paket profili,
• elektriksel bağlantıların yanı sıra ısı yayılımında da kullanılabilen RDL katmanları,
• malzeme ve geometrinin birlikte optimize edilebilmesi.

Fraunhofer IZM, fan-out paketlemeyi önemli ölçüde küçültme potansiyeline sahip, alt tabakasız bir paket yaklaşımı olarak tanımlıyor. Kurum ayrıca düşük termal direnç ve kısa bağlantı yollarını temel avantajlar arasında sayıyor. 12 TSMC’nin InFO platformu da yüksek yoğunluklu RDL yapılarının mobil ve yüksek performanslı bilgi işlem uygulamalarında kullanılabileceğini gösteriyor. 13

Bununla birlikte, paketin ince olması veya I/O yoğunluğunun yüksek olması tek başına daha iyi termal performans anlamına gelmez. İyi sonuç için bakır RDL yolları, kalıp bileşiği, die’ın arka yüzü, ısı yayıcı ve PCB’nin gerçekten etkili bir ısı yolu oluşturması gerekir.

Mobil, otomotiv ve HPC için aynı çözüm geçerli değil

Fan-out paketleme mobil ve kablosuz uygulamalarda kullanılmaya başladı; teknoloji otomotiv ve tıbbi sistemlere doğru da genişliyor. 1 Yüksek yoğunluklu fan-out platformları mobil cihazlar ve yüksek performanslı bilgi işlem için de değerlendiriliyor. 13

Ancak FOPLP’nin termal katkısı uygulamaya göre değişiyor:

• Mobil cihazlar: Öncelik ince tasarım ve sınırlı bir kasa içinde ısının yayılmasıdır. Büyük bir heatsink kullanmak çoğu zaman mümkün değildir.
• Otomotiv elektroniği: Paket, geniş sıcaklık değişimlerine ve tekrarlanan termal döngülere dayanmalıdır.
• Yüksek performanslı bilgi işlem: Toplam güç çok daha yüksek olduğundan, paket tek başına yeterli olmayabilir. Lid, cold plate veya başka bir harici soğutma altyapısı gerekebilir.

Dolayısıyla FOPLP, sistem düzeyindeki termal tasarımın yerini almaz; bu tasarımın daha verimli kurulmasına yardımcı olabilecek bir paket mimarisi sunar.

RθJC ile ΨJT ve ΨJB arasındaki fark

Termal ölçümlerde kullanılan değerlerin anlamı, ölçüm koşullarıyla birlikte ele alınmalıdır. Termal direnç θ, belirli bir ısı akışı koşulunu tanımlar. Termal karakterizasyon parametreleri Ψ ise bağlantı sıcaklığını paketin üst yüzeyi veya PCB üzerinde ölçülebilen bir sıcaklıkla ilişkilendirmek için kullanılır.

Örneğin RθJC, ısının özellikle paketin yüzeyine yönlendirildiği junction-to-case koşulunu tanımlar. Bu tür bir test, üst yüzeye bir heatsink veya soğuk plaka bağlanan senaryoyu temsil edebilir. Gerçek bir kart uygulamasında ise ısı; paketin üst kısmına, PCB’ye, lehim toplarına veya pinlere ve çevreye farklı oranlarda dağılır.

Bu nedenle aşağıdaki formül, her gerçek çalışma koşulunda kullanılabilecek genel bir yöntem değildir:

Tj = Tc + P × RθJC

Texas Instruments, modern kart üzeri uygulamalarda bağlantı sıcaklığını tahmin etmek için ΨJT ve ΨJB gibi termal karakterizasyon parametrelerinin çoğu zaman daha uygun olduğunu belirtiyor. 13 Uygun ölçüm düzeni ve sınır koşulları sağlandığında şu tür ilişkiler kullanılabilir:

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

Burada ΨJT ve ΨJB, temel ve tek boyutlu termal dirençler değildir. Ölçüm düzenine, bileşenin yerleşimine ve uygulama sistemine bağlı karakterizasyon parametreleridir. JEDEC ölçümleri de ancak belirli test koşullarıyla birlikte anlamlı sonuç verir.

Huatian’ın “full-process” yaklaşımı ne anlama geliyor?

Şirketin açıklamasına göre süreç; malzeme seçimini, kablolama tasarımını ve paket yapısını kapsıyor. Huatian, çoklu fizik simülasyonlarıyla ısı dağılımını ve uzun vadeli güvenilirliği iyileştirmeyi amaçlıyor. 8

Mühendislik açısından böyle bir süreçte şu başlıkların birlikte incelenmesi gerekir:

• kalıp bileşiği, die attach ve termal arayüz malzemelerinin seçimi,
• ısı yayılımına katkı sağlayacak bakır RDL yollarının kalınlığı ve konumu,
• sıcak noktaların belirlenmesi ve sınırlandırılması,
• elektriksel kayıplar ile termal iletimin birlikte modellenmesi,
• warpage ve farklı ısıl genleşme katsayılarının kontrolü,
• termal döngüler sırasında oluşan yorulmanın değerlendirilmesi.

Panel seviyesindeki büyük ve ince yapılar, termomekanik analizin önemini daha da artırıyor. FOPLP çalışmaları malzeme davranışını ve soğuma sırasında oluşan deformasyonu incelerken, warpage ve die kayması paket güvenilirliği açısından bilinen zorluklar olmaya devam ediyor. 3

Sonuç: Teknoloji vaadi ölçümle doğrulanmalı

FOPLP, Huatian’a termal yönetimi paket mimarisi seviyesinde ele alma imkânı veriyor. Gereksiz yapısal katmanların azaltılması, yoğun bağlantı ve olası ısı yayılımı için RDL’nin kullanılması ve malzemelerle geometrinin paket tamamlanmadan önce optimize edilmesi, teknolojinin makul potansiyel avantajları arasında yer alıyor. Bu yaklaşım fan-out paketlemenin genel gelişim yönüyle de uyumlu. 812

Ancak bu özellikler, Huatian’ın belirli bir üründe ne ölçüde termal iyileşme sağladığını tek başına kanıtlamıyor. Mevcut materyallerde şirketin termal direnci, bağlantı sıcaklığı veya kullanım ömrü için bağımsız olarak doğrulanmış sayısal verileri bulunmuyor.

Bu nedenle asıl değerlendirme; hedeflenen PCB, güç dağılımı, soğutma sınırı, hava akışı ve termal döngü profili altında ölçülen bağlantı sıcaklıklarına ve güvenilirlik sonuçlarına dayanmalı. Doğru soru yalnızca bir paketin RθJC değerinin ne olduğu değil, tüm sistemin çipi kullanım ömrü boyunca güvenli sıcaklık sınırları içinde tutup tutamadığıdır.