FOPLP і теплове навантаження: чому корпус чипа стає частиною системи охолодження

Зі зростанням щільності транзисторів і енергоспоживання корпусування напівпровідника перестає бути лише захисною оболонкою. Воно стає активною частиною теплового рішення. Huatian Technology заявляє, що розробила можливості повноциклового проєктування й моделювання теплової поведінки для fan-out packaging, щоб враховувати тепло ще на початку розробки, а не намагатися виправити проблему після складання. 8

Головна обіцянка fan-out panel-level packaging (FOPLP) — створити коротший і краще контрольований шлях від кристала до корпусу, друкованої плати та системи охолодження. Це може бути важливим для чипів із високою щільністю потужності, але сама архітектура FOPLP ще не є доказом кращих теплових характеристик у кожному конкретному застосуванні.

Чому теплове проєктування корпусу стало критичним

Коли більше обчислювальних функцій зосереджується на меншій площі кристала, тепло потрібно відводити з дедалі компактнішої ділянки. Температура переходу чипа залежить не лише від кремнію. На неї впливає весь тепловий ланцюг: кріплення кристала й компаунд, металеві шари перерозподілу — redistribution layers, або RDL, — поверхня корпусу, PCB, матеріали теплового контакту, радіатор і рух повітря.

Якщо цей шлях має високий тепловий опір або в ньому формуються локальні перегріті зони, пристрій працює за вищої температури й має менший запас надійності. Тривале теплове навантаження також пов’язане з утомою з’єднань, розшаруванням матеріалів, різницею коефіцієнтів теплового розширення та деформацією конструкції.

Межі SOP, QFP і QFN: важливі уточнення

Традиційні корпуси SOP і QFP часто відводять значну частину тепла через виводи та leadframe. У результаті тепловий шлях зазвичай є довшим і більш обмеженим. Huatian протиставляє такій архітектурі FOPLP, який проєктується без звичайної підкладки та з коротшим шляхом відведення тепла. 6

Водночас QFN не варто автоматично вважати термічно слабким корпусом. Варіанти з відкритою тепловідвідною площадкою (exposed pad) або power-QFN можуть ефективно передавати тепло на плату. Їхні реальні можливості залежать від геометрії leadframe, розміру thermal pad, площі міді, кількості термопереходів (vias) і здатності PCB розсіювати тепло.

Тому правильніше говорити не про універсальну неспроможність QFN, а про межі конкретної конструкції. Корпус, достатній для чипа з невеликою потужністю, може виявитися недостатнім зі зростанням щільності тепловиділення.

Як саме FOPLP може допомогти з охолодженням

У fan-out packaging з’єднання кристала виводяться за межі його площі через шари RDL, а не лише через традиційну корпусну підкладку. Такий підхід підтримує вищу щільність міжз’єднань і нижчу індуктивність порівняно з деякими традиційними архітектурами. 4

Типова FOPLP-конструкція поєднує:

• відсутність традиційної package substrate;
• високу щільність I/O;
• тонкий профіль;
• RDL, який може одночасно забезпечувати електричні з’єднання та сприяти розподілу тепла;
• можливість спільно оптимізувати матеріали, товщини й геометрію корпусу.

Fraunhofer IZM описує fan-out як безпідкладковий корпус із потенціалом суттєвого зменшення габаритів і низьким тепловим опором. Технологія InFO компанії TSMC також демонструє, як високощільні RDL можуть застосовуватися в мобільних системах і високопродуктивних обчисленнях. 1213

Однак мала товщина та висока щільність I/O самі по собі не покращують теплові характеристики. Результат залежить від того, чи утворюють мідні траси, компаунд, тильна сторона кристала, теплорозподільник і PCB справді ефективний шлях для відведення тепла.

Mobile, автомобільна електроніка та HPC мають різні вимоги

Fan-out packaging уже використовується в мобільних і бездротових застосуваннях та поширюється на автомобільну й медичну електроніку. 1 Високощільні fan-out-платформи також позиціонуються для мобільних систем і high-performance computing. 13

Теплова цінність FOPLP залежить від сценарію використання:

• Мобільні пристрої. Тут важливі мінімальна товщина та розподіл тепла в обмеженому корпусі смартфона чи іншого компактного пристрою, зазвичай без великого радіатора.
• Автомобільна електроніка. Корпус має витримувати повторювані теплові цикли та значні коливання температури, не втрачаючи механічної й електричної надійності.
• Високопродуктивні обчислення. Загальна потужність значно вища, тому одного корпусу може бути недостатньо: системі можуть знадобитися теплорозподільна кришка, cold plate або інша зовнішня інфраструктура охолодження. FOPLP не замінює теплове проєктування всієї системи.

RθJC і ΨJT та ΨJB — не одне й те саме

Теплові вимірювання за методиками JEDEC мають сенс лише в контексті конкретних умов тестування. Тепловий опір θ описує визначений шлях проходження тепла. Натомість параметри Ψ використовують для співвіднесення температури переходу з температурою, яку можна виміряти на верхній поверхні корпусу або на платі.

Наприклад, RθJC характеризує шлях junction-to-case, коли тепло навмисно відводиться через поверхню корпусу — як у випробуванні з тепловою плитою або радіатором. Цей показник не обов’язково описує реальний розподіл тепла на робочій платі, де потік може розходитися до верхньої частини корпусу, PCB, кульок чи виводів і далі в навколишнє середовище.

Тому формулу:

Tj = Tc + P × RθJC

не слід використовувати як універсальний спосіб оцінки робочої температури переходу. Texas Instruments зазначає, що для сучасних пристроїв, змонтованих на платі, часто зручнішими є параметри теплової характеристики ΨJT і ΨJB.

За відповідних умов вимірювання інженери можуть застосовувати співвідношення:

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

΢JT і ΨJB — це не фундаментальні одновимірні теплові опори. Це параметри характеристики, які залежать від конфігурації, методики вимірювання та системи, у якій їх застосовують. Стандарти JEDEC призначені для отримання коректних даних саме за визначених умов, а не для безумовного перенесення одного числа з таблиці характеристик у будь-яку реальну конструкцію.

Що на практиці означає «повноциклова» компетенція Huatian

За описом компанії, її підхід охоплює вибір матеріалів, проєктування трасування та структури корпусу, а також використання мультифізичного моделювання для покращення тепловідведення й довгострокової надійності. 8

З інженерного погляду така методика має поєднувати:

• вибір компаунду, матеріалів кріплення кристала та thermal interface materials;
• визначення товщини й розташування мідних RDL, які можуть працювати як шляхи розподілу тепла;
• пошук і локалізацію hotspot-зон;
• спільний аналіз теплопровідності, електричних втрат і концентрації струму;
• контроль warpage — викривлення корпусу — та невідповідності коефіцієнтів теплового розширення;
• оцінювання втоми матеріалів і з’єднань під час теплових циклів.

Великі та тонкі структури panel-level packaging підвищують значення термомеханічного аналізу. Дослідження FOPLP розглядають поведінку матеріалів і зміну деформації під час охолодження, тоді як warpage та зміщення кристала залишаються відомими викликами для надійності. 3

Висновок: технологічна обіцянка потребує вимірювань

FOPLP дає Huatian спосіб працювати з теплом на рівні архітектури корпусу: прибирати зайві структурні шари, використовувати RDL для щільних з’єднань і потенційного розподілу тепла, а також оптимізувати матеріали та геометрію ще до завершення корпусування. Це логічні переваги fan-out packaging і напрям, який відповідає загальній еволюції передових корпусних технологій. 812

Але вони самі по собі не доводять конкретного покращення теплових характеристик продукту Huatian. У доступних матеріалах немає незалежно підтверджених значень теплового опору, температури переходу або ресурсу роботи конкретного виробу.

Тому оцінювати заяву потрібно за виміряною температурою junction і результатами випробувань на надійність у реальних умовах застосування: з конкретною PCB, картою розподілу потужності, системою охолодження, повітряним потоком і профілем теплових циклів.

Ключове питання — не лише те, яке значення має θJC окремого корпусу. Важливіше, чи здатна вся система утримувати чип у допустимому температурному діапазоні протягом усього строку служби.