Решение для рассеивания тепла 3D-чипов

По мере того, как отрасль переходит на 3D-упаковку и продолжает масштабировать цифровую логику, растущие тепловые проблемы расширяют границы исследований и разработок.Слишком много тепла в маленьком пространстве может вызвать серьезные проблемы, например, продукты будут слишком горячими, чтобы их можно было держать.Перегрев DRAM необходимо постоянно обновлять из-за потери мощности и надежности, что делает чип еще более уязвимым в высокотемпературных отраслях, таких как автомобилестроение.

В идеальных условиях чип должен быть сделан из меди, а подложка — из 100% меди.Даже если бы это было возможно, чип не увеличил бы производительность из-за какого-то другого ограничивающего фактора в корпусе.

Температурные проблемы становятся ранним решением при проектировании и упаковке в 2,5D и 3D корпусах.Тепловыделение — одна из ключевых проблем, которые необходимо учитывать как с точки зрения памяти, так и с точки зрения логики в логическом стеке.

В поисках решений ключевыми областями развития стали микрофлюидика и материалы с тепловым интерфейсом (TIM).Для отвода тепла непосредственно к чипу можно присоединить жидкостный кулер или встроить каналы в сам чип.Со стороны TIM используется спеченная серебряная эпоксидная смола.

Микрофлюидика может вскоре перейти в производство.Он начнет появляться в очень экзотических местах, особенно если вы начнете использовать многоуровневую высокопроизводительную логику.Если не предпринимать никаких мер по охлаждению, логика стека будет ограничена тепловыделением одного чипа.Существует огромный экономический импульс для решения этих проблем.

В течение последних 40 лет коммерческая микрофлюидика была в пределах досягаемости.Идея встраивания жидкостей в микро/наноразмерные каналы для охлаждения полупроводников была впервые описана в ставшей уже классической статье.Различные варианты были опробованы с 1981 года, и теперь некоторые проекты показывают реальные и практические перспективы охлаждения.С тепловой точки зрения это очень интересное решение для охлаждения, так как хладагент может быть расположен максимально близко к источнику тепла, и в такой конфигурации устраняются несколько тепловых барьеров.Рабочая версия микрожидкостной мишени интегрирует каналы непосредственно в чип, вместо того, чтобы полагаться на TIM или связывание.Последнее дестабилизировало коммерческий рынок из-за проблем с надежностью.Это разрушительный охлаждающее решение это требует тесного совместного проектирования структур жидкостных каналов и электроники, чтобы реализовать весь потенциал этого метода охлаждения.Он идеально подходит для сложных приложений с чрезвычайно высокой плотностью мощности.Для КМОП-приложений с плотностью мощности в диапазоне сотен Вт/см⊃2; можно использовать отдельные охлаждающие блоки с более легким диаметром канала в несколько сотен мкм.

Существует два основных типа архетипов.Один из них — кремниевый микроканальный кулер, а основная разработка — приклеивание к чипу с низким термическим сопротивлением.Другой вариант — прямое жидкостное охлаждение чипа с использованием сложной геометрии охлаждения, напечатанной на 3D-принтере.

Охладитель крепится к чипу с использованием знаний о соединении пластин с очень низким тепловым сопротивлением менее 1 мм 2 -К/Вт.Используйте сплавление, оксидное соединение или металлическое соединение вместо материалов теплового интерфейса.Основное преимущество обработки полупроводников заключается в том, что можно получить очень тонкие линии с жесткими допусками.

Армирующее кольцо часто требуется, чтобы компенсировать отсутствие крышки для механической целостности упаковки.Если проходы слишком малы, перепад давления, проталкивающий охлаждающую жидкость через них, будет слишком большим.И объем жидкости конечен.Основными причинами медленного внедрения являются проблемы с надежностью (утечка), требования к обслуживанию и сложность системы.Более высокое давление является потенциальным недостатком, но не помехой.

Разделите коммерческие методы жидкостного охлаждения на четыре различных типа.

Кулеры с болтовым креплением — самая передовая технология, доступная в центрах обработки данных. охлаждающая пластина сидит на крышке вместо радиатора.TIM используется выше и ниже.

Кулер крепится непосредственно к чипу только одним слоем термоинтерфейса.Некоторые места начинают принимать эту конфигурацию.

Охлаждение сзади Эта компоновка была предложена только в исследованиях и позволяет хладагенту быть ближе к источнику тепла.Вместо склеивания в нем используется диэлектрическая жидкость, которая находится в непосредственном контакте с чипом.Между жидкостью и чипом имеется вертикальная связь.Таким образом, можно избежать проблем с температурным градиентом боковых конструкций.

Охлаждение на кристалле включает в себя включение охлаждающей жидкости в каналы, встроенные в чип.Хотя он обеспечивает наилучшее охлаждение, одной из потенциальных проблем является то, что может не хватить места для каналов с более низким шагом.

Кроме того, прототип корпуса с внутренним охлаждением, созданный по 3D-технологии и изготовленный из керамического оксида алюминия.Он использует толстопленочную технологию для верхней металлизации, и к нему будет подключено несколько полевых транзисторов SiC.Оксид алюминия уже является оксидом, а медь легко окисляется, поэтому сочетание этих двух оксидов и является тем, как формируется эта поверхность раздела.В настоящее время это самый дешевый способ изготовления силовых модулей из керамики, снижающий затраты.Изолированная металлическая подложка (IMS) в основном похожа на любую технологию производства печатных плат, но в ней используется тяжелая медь.В то время как большая часть меди для печатных плат содержит от 0,25 до 0,5 унций меди, она ближе к 3 или 4 унциям.Это нечто более экономичное, чем глинозем с той же площадью основания.

Хотя размеры прототипа больше, чем типичные подложки, особенностью этой прямоугольной структуры является то, что через нее проходят каналы с выходными отверстиями на более коротких сторонах.При включении до полного рабочего цикла модуль рассеивает много тепла.Как избавиться от жары?По каналу направляется хладагент, такой как холодный воздух, азотный хладагент или какое-либо другое холодное вещество.По мере движения охлаждающая жидкость охлаждается.

И кулер с болтовым креплением, и кулер с прямым соединением, описанный выше, используют TIM для оптимизации теплопередачи между чипом и кулером, как и многие другие конфигурации.В TIM используются различные материалы, в том числе термопасты, заполнители зазоров, изоляционные крепежные материалы, материалы с фазовым переходом и теплопроводящие эпоксидные смолы, такие как оксид алюминия, нитрид алюминия и оксид бериллия.

Однако оказывается, что многие ТИМ не так эффективны, как можно было бы предположить при их широком использовании.По мере увеличения производительности жидкостного охлаждения материалы теплового интерфейса становятся важным узким тепловым местом.У системных интеграторов возникает много вопросов о том, как заменить TIM материалами с более высокими характеристиками и каковы риски, связанные с надежностью.

Задача состояла в том, чтобы найти материал, обладающий очень высокой теплопроводностью и в то же время настолько гибкий, чтобы он мог повторять топологию различных компонентов.

В общем, большинство материалов с хорошей электропроводностью также очень жесткие, поэтому они не только не адаптируются, но и создают дополнительную нагрузку.Ни один материал не обладает такими свойствами, поэтому его нужно было создавать путем создания композитов.Теперь внутрь можно добавлять теплопроводные частицы для улучшения теплопроводности.Могут быть композитные материалы.Могут быть даже углеродные нанотрубки или листы графена.В этой конкретной области достигнут значительный прогресс.

Учитывая острую потребность в новых материалах, мы должны уважать важность прорывов в материаловедении для решения тепловых проблем.Промышленности еще предстоит пройти долгий путь, чтобы найти материалы, которые были бы гибкими, надежными и экономичными.

В настоящее время исследуется множество различных ТИМ, не основанных на полимерах.Например, результатом спекания серебра является очень твердая матрица из серебряного сплава с высокой теплопроводностью между крышкой и формой.Другой пример — более мягкие металлические материалы.Когда нет надежности и других преимуществ, кажется, что материалы с фазовым переходом, о которых часто говорили несколько лет назад, исчезли.

Для рассеивания мощности в корпусах флип-чипов спеченные серебряные эпоксидные смолы обладают лучшими тепловыми характеристиками, поэтому люди используют безнапорные (такие как Atrox) или спеченные под давлением эпоксидные смолы (Argomax).В подходе с перевернутым чипом радиатор представляет собой никелированную медную конструкцию, которая контактирует с задней стороной чипа с материалом теплового интерфейса (TIM) на интерфейсе.В других новшествах используется несколько проводов на задней панели чипа, которые затем подключаются к заземляющему слою печатной платы для улучшения отвода тепла.Медь по-прежнему является лучшим тепловым интерфейсом и очень экономична.

Это одна из причин для работы в области микрофлюидики, если есть способ, который полностью устранит необходимость в ТИМ.Альтернативные решения для охлаждения позволяют избежать использования интерфейсных материалов.Приближение к чипу устраняет эти материалы.Либо улучшайте материалы, либо выбрасывайте их.

Результатом этих проблем является то, что решение вопросов теплоснабжения все чаще поднимается в списке бюджетных приоритетов.Клиенты часто удивляются тому, что им приходится тратить так много денег на тепловую энергию.Все приходит с большой сложностью.Относитесь к чему-то новому и, как правило, не применяйте его, пока не будет доказана его эффективность и не будут решены все вопросы ответственности.Многие клиенты осознают это и начинают производить продукты с более передовыми технологиями, навыками и опытом.