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L'importanza crescente della gestione termica

L'imballaggio CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate) è diventato un approccio dominante per l'informatica ad alte prestazioni, gli acceleratori di intelligenza artificiale e i moduli di memoria ad alta larghezza di banda.L'obiettivo principale è spesso la densità di interconnessioneTuttavia, uno dei fattori più critici che limita in ultima analisi le prestazioni è la gestione termica.

Con l'aumentare delle densità di potenza, le soluzioni di raffreddamento tradizionali come dissipatori di calore, ventilatori o raffreddamento liquido non sono più sufficienti.e diffusori di caloreTra i materiali emergenti, le soluzioni a base di carbonio e i semiconduttori a banda larga hanno attirato l'attenzione, conSubstrato di SiC(substrato di carburo di silicio)presenta un potenziale unico grazie alla sua elevata conduttività termica, robustezza meccanica e stabilità termica.

Il percorso termico della CoWoS: capire la sfida

Un pacchetto CoWoS è costituito da più strati attraverso i quali il calore deve viaggiare.e infine raggiunge il sistema di raffreddamento esternoOgni strato introduce una resistenza termica, che può portare a punti caldi se non gestiti correttamente.

Nel tradizionale CoWoS a base di silicio, l'interposatore conduce moderatamente bene il calore, ma lo spessore e i limiti del materiale ne limitano l'efficacia.aumento dei punti caldiIn tali condizioni, i materiali come iSubstrato di SiCpuò migliorare la diffusione laterale del calore e ridurre il rischio di deformazione termicamente indotta, colmando un divario critico nella gestione termica a livello di sistema.

Interpositori di silicio: punti di forza e limiti

Gli interposatori di silicio sono ampiamente adottati in CoWoS a causa dei loro processi di fabbricazione maturi, della compatibilità di interconnessione fine-pitch e delle prestazioni elettriche.Gli interpositori di silicio funzionano bene., fornendo un percorso preciso del segnale e un supporto meccanico.

Tuttavia, man mano che il CoWoS si sviluppa verso applicazioni ad alta potenza, i limiti diventano evidenti:

• Gli hotspot localizzati riducono prestazioni e affidabilità.

• Il disallineamento di espansione termica tra l'interposatore di silicio e le matrici ad alta potenza può indurre stress e deformazione.

• I limiti di spessore limitano la capacità dell'interposatore di dissipare efficacemente il calore.

Queste sfide illustrano perché i materiali alternativi o complementari, comeSubstrato di SiC, sono necessari per mantenere prestazioni e affidabilità nei sistemi CoWoS di prossima generazione.

Ampliare la gamma di materiali termici

Per soddisfare le esigenze termiche degli imballaggi CoWoS ad alta densità è necessario andare oltre il silicio.

1. Diffusori di calore avanzati: i compositi di rame o di rame-molibdeno possono ridurre la resistenza termica locale, ma spesso introducono disadattamento meccanico.

2. Materiali di interfaccia termica ad alte prestazioni (TIM)Riduce la resistenza al contatto, ma non può superare i limiti fondamentali del materiale.

3. Ceramiche e materiali a banda largaMateriali come:Substrato di SiCcombinano elevata conduttività termica con resistenza meccanica e stabilità chimica, rendendoli ideali per applicazioni CoWoS ad alta potenza e densità.

Integrando strategicamente questi materiali,diventa possibile creare un pacchetto CoWoS in cui ogni strato ha un ruolo chiaramente definito nella gestione termica piuttosto che basarsi esclusivamente sul raffreddamento esterno.

Substrato di carburo di silicio: ruoli funzionali nel CoWoS

Il substrato SiC offre diversi vantaggi rispetto al silicio convenzionale per la gestione termica nei pacchetti CoWoS:

• Alta conduttività termicaFacilita la diffusione del calore laterale e verticale, riducendo al minimo i punti caldi.

• Basso coefficiente di espansione termica (CTE)Riduce lo stress meccanico durante il ciclo termico.

• Robustezza meccanica: mantiene la stabilità dimensionale in wafer sottili e di grande area.

• Stabilità chimica: Compatibile con lavorazioni aggressive ad alta temperatura e funzionamento a lungo termine.

In applicazioni pratiche, il substrato di SiC può svolgere più ruoli:

• Come interposto ad alte prestazioni, sostituendo o completando gli strati di silicio.

• Come uno strato di diffusione del calore incorporato sotto le matrici ad alta potenza.

• Come strato strutturale per stabilizzare il pacchetto e prevenire la deformazione sotto stress termico.

Questi ruoli consentono all'interposante e al substrato di funzionare come un'unità unificata.piattaforma termica e meccanica, non solo come strato di interconnessione elettrica.

Implicazioni dei materiali termici a livello di sistema

I materiali di gestione termica influenzano più della dissipazione del calore, ma determinano l'architettura complessiva del sistema.Substrato di SiCo materiali avanzati simili, i progettisti possono ottenere:

• Performance più elevate e prolungate in condizioni di funzionamento continuo ad alta potenza

• Riduzione dei gradienti termici, miglioramento dell'affidabilità e riduzione dei tassi di guasto.

• Moduli multi-chip più compatti e integrazione eterogenea, che consentono progetti innovativi negli acceleratori di intelligenza artificiale e nell'informatica ad alte prestazioni.

In altre parole, i materiali termici agiscono ora come facilitatori piuttosto che come vincoli.le prestazioni dell'intero sistema.

Considerazioni di fabbricazione per il substrato di SiC in CoWoS

Mentre il substrato SiC offre vantaggi significativi, la sua integrazione nei pacchetti CoWoS richiede un'attenta considerazione:

• Sottilizzazione dei wafer: Il SiC è più duro del silicio, rendendo difficile il diradamento di precisione.

• Via Formazione: per le vie attraverso il SiC sono necessari metodi avanzati di incisione o assistiti da laser.

• Metalizzazione: Per ottenere un'adesione metallica forte e affidabile sul SiC occorrono strati di barriera e di adesione su misura per il funzionamento ad alta temperatura.

• Controllo dei difetti: le onde SiC di grande area per il CoWoS da 12 pollici devono mantenere l'uniformità e una bassa densità di difetti per garantire il rendimento.

Queste sfide non sono banali ma superabili. Le soluzioni nel controllo dei processi, ispezione e movimentazione dei materiali consentono l'uso di substrato SiC in applicazioni CoWoS ad alte prestazioni.

Verso architetture CoWoS centrate sul materiale

L'evoluzione del CoWoS suggerisce che gli imballaggi avanzati saranno sempre piùa motore di materialeLa connettività elettrica rimane importante, ma le proprietà termiche e meccaniche svolgono ora un ruolo altrettanto importante.Substrato di SiC, i pacchetti CoWoS possono supportare densità di potenza più elevate, ridurre il rischio di guasti termici e consentire architetture di integrazione eterogenee complesse.

Questo cambiamento evidenzia anche una tendenza più ampia nell'imballaggio dei semiconduttori: la scienza dei materiali, l'ingegneria meccanica e la progettazione a livello di sistema si stanno convergendo.I futuri pacchetti CoWoS saranno definiti tanto dalla scelta dei materiali termici quanto dal passo di interconnessione o dalla dimensione della matrice.

Conclusioni

I materiali di gestione termica CoWoS non sono più periferici, ma definiscono il campo operativo dei moderni sistemi ad alte prestazioni.e materiali innovativi comeSubstrato di SiCfornire nuove vie di diffusione del calore, stabilità meccanica e affidabilità a lungo termine.

Priorizzando l'innovazione e l'integrazione a livello di materiale, i progettisti CoWoS possono sbloccare prestazioni più elevate, architetture più dense e un funzionamento robusto in ambienti esigenti.Mentre le densità di energia continuano ad aumentare, il substrato SiC diventerà un fattore chiave per la tecnologia CoWoS di prossima generazione, colmando il divario tra la scienza dei materiali e le prestazioni a livello di sistema.