รายละเอียดบล็อก

ความสำคัญที่เพิ่มขึ้นของการจัดการความร้อน

บรรจุภัณฑ์ CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate) ได้กลายเป็นแนวทางหลักสำหรับการประมวลผลประสิทธิภาพสูง ตัวเร่ง AI และโมดูลหน่วยความจำแบนด์วิธสูง โดยทั่วไปแล้วจะเน้นไปที่ความหนาแน่นของการเชื่อมต่อ การรวมชิปเล็ต หรือการปรับขนาดโหนดตรรกะ อย่างไรก็ตาม ปัจจัยสำคัญที่สุดประการหนึ่งที่จำกัดประสิทธิภาพในท้ายที่สุดคือการจัดการความร้อน

เนื่องจากความหนาแน่นของพลังงานยังคงเพิ่มขึ้น โซลูชันการระบายความร้อนแบบดั้งเดิม เช่น ฮีตซิงก์ พัดลม หรือการระบายความร้อนด้วยของเหลว จึงไม่เพียงพออีกต่อไป วัสดุที่ใช้ภายในแพ็คเกจ—อินเตอร์โพเซอร์ ซับสเตรต และตัวกระจายความร้อน—มีบทบาทสำคัญมากขึ้น ในบรรดาวัสดุใหม่ๆ โซลูชันที่ใช้คาร์บอนและสารกึ่งตัวนำแบนด์วิดท์กว้างได้รับความสนใจ โดยมี SiC substrate (ซิลิคอนคาร์ไบด์ซับสเตรต) แสดงศักยภาพที่ไม่เหมือนใครเนื่องจากมีการนำความร้อนสูง ความแข็งแกร่งทางกล และความเสถียรทางความร้อน

เส้นทางความร้อน CoWoS: การทำความเข้าใจความท้าทาย

แพ็คเกจ CoWoS ประกอบด้วยหลายชั้นที่ความร้อนต้องเดินทาง ความร้อนที่เกิดจากไดแอกทีฟจะกระจายไปด้านข้างผ่านอินเตอร์โพเซอร์ก่อน จากนั้นจึงเคลื่อนที่ในแนวตั้งผ่านซับสเตรต และในที่สุดก็ไปถึงระบบระบายความร้อนภายนอก แต่ละชั้นจะทำให้เกิดความต้านทานความร้อน ซึ่งอาจนำไปสู่ฮอตสปอตหากไม่ได้รับการจัดการอย่างเหมาะสม

ใน CoWoS ที่ใช้ซิลิคอนแบบดั้งเดิม อินเตอร์โพเซอร์จะนำความร้อนได้ปานกลาง แต่ข้อจำกัดด้านความหนาและวัสดุจะจำกัดประสิทธิภาพ เมื่อสถาปัตยกรรมชิปเล็ตมีความหนาแน่นมากขึ้น ฮอตสปอตจะเพิ่มขึ้น และการไล่ระดับความร้อนอาจทำให้เกิดความเครียดทางกล ในสภาวะดังกล่าว วัสดุเช่น SiC substrate สามารถเพิ่มการกระจายความร้อนด้านข้างและลดความเสี่ยงของการเสียรูปที่เกิดจากความร้อน ซึ่งเป็นการเชื่อมช่องว่างที่สำคัญในการจัดการความร้อนระดับระบบ

Silicon Interposers: จุดแข็งและข้อจำกัด

Silicon interposers ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายใน CoWoS เนื่องจากกระบวนการผลิตที่ครบวงจร ความเข้ากันได้ของการเชื่อมต่อแบบละเอียด และประสิทธิภาพทางไฟฟ้า สำหรับการใช้งานพลังงานต่ำถึงปานกลาง ซิลิคอนอินเตอร์โพเซอร์ทำงานได้ดี โดยให้การกำหนดเส้นทางสัญญาณที่แม่นยำและการรองรับทางกล

อย่างไรก็ตาม เมื่อ CoWoS ปรับขนาดเป็นการใช้งานพลังงานสูง ข้อจำกัดจะปรากฏชัดเจน:

• ฮอตสปอตเฉพาะที่ลดประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือ

• การขยายตัวทางความร้อนที่ไม่ตรงกันระหว่างซิลิคอนอินเตอร์โพเซอร์และไดกำลังสูงอาจทำให้เกิดความเครียดและการบิดงอ

• ข้อจำกัดด้านความหนาจำกัดความสามารถของอินเตอร์โพเซอร์ในการกระจายความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพ

ความท้าทายเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าเหตุใดจึงจำเป็นต้องใช้วัสดุทางเลือกหรือวัสดุเสริม เช่น SiC substrate เพื่อรักษาประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือในระบบ CoWoS รุ่นต่อไป

การขยายจานสีวัสดุความร้อน

การตอบสนองความต้องการด้านความร้อนของบรรจุภัณฑ์ CoWoS ความหนาแน่นสูงต้องก้าวข้ามซิลิคอน วิศวกรวัสดุในปัจจุบันมุ่งเน้นไปที่แนวทางหลายประการ:

1. ตัวกระจายความร้อนขั้นสูง: ทองแดงหรือคอมโพสิตทองแดง-โมลิบดีนัมสามารถลดความต้านทานความร้อนในท้องถิ่นได้ แต่บ่อยครั้งที่ทำให้เกิดความไม่ตรงกันทางกล

2. วัสดุเชื่อมต่อความร้อนประสิทธิภาพสูง (TIMs): ลดความต้านทานการสัมผัส แต่ไม่สามารถเอาชนะขีดจำกัดของวัสดุพื้นฐานได้

3. เซรามิกและวัสดุแบนด์วิดท์กว้าง: วัสดุเช่น SiC substrate ผสมผสานการนำความร้อนสูงเข้ากับความแข็งแรงทางกลและความเสถียรทางเคมี ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งาน CoWoS ที่มีกำลังไฟสูงและมีความหนาแน่นสูง

ด้วยการรวมวัสดุเหล่านี้เข้าด้วยกันอย่างมีกลยุทธ์ ทำให้สามารถสร้างแพ็คเกจ CoWoS ที่แต่ละชั้นมีบทบาทที่กำหนดไว้อย่างชัดเจนในการจัดการความร้อน แทนที่จะพึ่งพาการระบายความร้อนภายนอกเพียงอย่างเดียว

Silicon Carbide Substrate: บทบาทการทำงานใน CoWoS

SiC substrate มีข้อดีหลายประการเหนือซิลิคอนแบบเดิมสำหรับการจัดการความร้อนในแพ็คเกจ CoWoS:

• การนำความร้อนสูง: อำนวยความสะดวกในการกระจายความร้อนด้านข้างและแนวตั้ง ลดฮอตสปอต

• ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ (CTE): ลดความเครียดทางกลระหว่างการหมุนเวียนความร้อน

• ความแข็งแกร่งทางกล: รักษาความเสถียรของมิติในเวเฟอร์บางและพื้นที่ขนาดใหญ่

• ความเสถียรทางเคมี: เข้ากันได้กับการประมวลผลที่อุณหภูมิสูงและใช้งานในระยะยาว

ในการใช้งานจริง SiC substrate สามารถทำหน้าที่ได้หลายอย่าง:

• ในฐานะอินเตอร์โพเซอร์ประสิทธิภาพสูง แทนที่หรือเสริมชั้นซิลิคอน

• เป็นชั้นกระจายความร้อนแบบฝังอยู่ใต้ไดกำลังสูง

• เป็นชั้นโครงสร้างเพื่อรักษาเสถียรภาพของแพ็คเกจและป้องกันการบิดงอภายใต้ความเครียดจากความร้อน

บทบาทเหล่านี้ช่วยให้อินเตอร์โพเซอร์และซับสเตรตทำงานเป็น แพลตฟอร์มความร้อนและกลไก ไม่ใช่แค่ชั้นเชื่อมต่อทางไฟฟ้า

ผลกระทบระดับระบบของวัสดุความร้อน

วัสดุจัดการความร้อนมีอิทธิพลมากกว่าการกระจายความร้อน—วัสดุเหล่านั้นกำหนดสถาปัตยกรรมระบบโดยรวม ด้วยการรวม SiC substrate หรือวัสดุขั้นสูงที่คล้ายกัน นักออกแบบสามารถทำได้:

• ประสิทธิภาพที่ยั่งยืนสูงขึ้นภายใต้การทำงานด้วยกำลังไฟสูงอย่างต่อเนื่อง

• ลดการไล่ระดับความร้อน ปรับปรุงความน่าเชื่อถือ และลดอัตราความล้มเหลว

• โมดูลหลายชิปและบูรณาการแบบเฮเทอโรจีนัสที่กะทัดรัดยิ่งขึ้น ทำให้สามารถออกแบบที่เป็นนวัตกรรมใหม่ในตัวเร่ง AI และการประมวลผลประสิทธิภาพสูง

กล่าวอีกนัยหนึ่ง วัสดุความร้อนทำหน้าที่เป็นตัวเปิดใช้งานมากกว่าข้อจำกัด การตัดสินใจที่ทำในชั้นวัสดุมีอิทธิพลต่อเค้าโครงแพ็คเกจ การวางชิปเล็ต และท้ายที่สุด ประสิทธิภาพของทั้งระบบ

ข้อควรพิจารณาในการผลิตสำหรับ SiC Substrate ใน CoWoS

ในขณะที่ SiC substrate มีข้อดีอย่างมาก การรวมเข้ากับแพ็คเกจ CoWoS ต้องพิจารณาอย่างรอบคอบ:

• การทำให้เวเฟอร์บางลง: SiC นั้นแข็งกว่าซิลิคอน ทำให้การทำให้บางลงอย่างแม่นยำเป็นเรื่องท้าทาย

• การก่อตัวของ Via: ผ่าน vias SiC ต้องใช้การแกะสลักขั้นสูงหรือวิธีการช่วยด้วยเลเซอร์

• Metallization: การบรรลุการยึดเกาะโลหะที่แข็งแรงและเชื่อถือได้บน SiC ต้องใช้ชั้นกั้นและการยึดเกาะที่ปรับให้เข้ากับการทำงานที่อุณหภูมิสูง

• การควบคุมข้อบกพร่อง: เวเฟอร์ SiC พื้นที่ขนาดใหญ่สำหรับ CoWoS ขนาด 12 นิ้วต้องรักษาความสม่ำเสมอและความหนาแน่นของข้อบกพร่องต่ำเพื่อให้ได้ผลผลิต

ความท้าทายเหล่านี้ไม่ใช่เรื่องเล็กน้อยแต่สามารถเอาชนะได้ โซลูชันในการควบคุมกระบวนการ การตรวจสอบ และการจัดการวัสดุช่วยให้สามารถใช้ SiC substrate ในการใช้งาน CoWoS ประสิทธิภาพสูง

สู่อาร์เรย์สถาปัตยกรรม CoWoS ที่เน้นวัสดุ

วิวัฒนาการของ CoWoS ชี้ให้เห็นว่าบรรจุภัณฑ์ขั้นสูงจะเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ขับเคลื่อนด้วยวัสดุ การเชื่อมต่อทางไฟฟ้ายังคงมีความสำคัญ แต่คุณสมบัติทางความร้อนและกลไกมีบทบาทสำคัญเท่าเทียมกัน ด้วยการรวม SiC substrate แพ็คเกจ CoWoS สามารถรองรับความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น ลดความเสี่ยงของความล้มเหลวจากความร้อน และเปิดใช้งานสถาปัตยกรรมบูรณาการแบบเฮเทอโรจีนัสที่ซับซ้อน

การเปลี่ยนแปลงนี้ยังเน้นให้เห็นถึงแนวโน้มที่กว้างขึ้นในบรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์: วิทยาศาสตร์วัสดุ วิศวกรรมเครื่องกล และการออกแบบระดับระบบกำลังมาบรรจบกัน แพ็คเกจ CoWoS ในอนาคตจะถูกกำหนดโดยการเลือกวัสดุความร้อนเช่นเดียวกับระยะพิทช์การเชื่อมต่อหรือขนาดได

บทสรุป

วัสดุจัดการความร้อน CoWoS ไม่ได้เป็นส่วนประกอบอีกต่อไป—วัสดุเหล่านั้นกำหนดขอบเขตการทำงานของระบบประสิทธิภาพสูงสมัยใหม่ ชั้นซิลิคอนแบบดั้งเดิมกำลังเข้าถึงขีดจำกัดทางความร้อน และวัสดุที่เป็นนวัตกรรมใหม่ เช่น SiC substrate มอบเส้นทางใหม่สำหรับการกระจายความร้อน ความเสถียรทางกล และความน่าเชื่อถือในระยะยาว

ด้วยการจัดลำดับความสำคัญของนวัตกรรมและการบูรณาการในระดับวัสดุ นักออกแบบ CoWoS สามารถปลดล็อกประสิทธิภาพที่สูงขึ้น สถาปัตยกรรมที่หนาแน่นขึ้น และการทำงานที่แข็งแกร่งในสภาพแวดล้อมที่ต้องการ เมื่อความหนาแน่นของพลังงานยังคงเพิ่มขึ้น SiC substrate จะกลายเป็นตัวเปิดใช้งานเทคโนโลยี CoWoS รุ่นต่อไป ซึ่งเป็นการเชื่อมช่องว่างระหว่างวิทยาศาสตร์วัสดุและประสิทธิภาพระดับระบบ