Blog Ayrıntıları

Termal Yönetimin Artan Önemi

CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate) paketleme, yüksek performanslı hesaplama, yapay zeka hızlandırıcıları ve yüksek bant genişliğine sahip bellek modülleri için baskın bir yaklaşım haline geldi. Ana odak noktası genellikle ara bağlantı yoğunluğu, çiplet entegrasyonu veya mantık düğümü ölçeklendirmesi üzerine düşer. Ancak, nihayetinde performansı sınırlayan en kritik faktörlerden biri termal yönetimdir.

Güç yoğunlukları artmaya devam ettikçe, ısı emiciler, fanlar veya sıvı soğutma gibi geleneksel soğutma çözümleri artık yeterli olmuyor. Paket içinde kullanılan malzemeler—ara katmanlar, alt tabakalar ve ısı yayıcılar—giderek daha merkezi bir rol oynuyor. Gelişen malzemeler arasında, karbon bazlı çözümler ve geniş bant aralıklı yarı iletkenler dikkat çekiyor ve SiC alt tabakası (silisyum karbür alt tabakası) yüksek termal iletkenliği, mekanik sağlamlığı ve termal kararlılığı nedeniyle benzersiz bir potansiyel gösteriyor.

CoWoS Termal Yolu: Zorluğu Anlamak

Bir CoWoS paketi, ısının geçmesi gereken çoklu katmanlardan oluşur. Aktif kalıplar tarafından üretilen ısı önce ara katman boyunca yanlara yayılır, ardından alt tabaka boyunca dikey olarak hareket eder ve son olarak harici soğutma sistemine ulaşır. Her katman, düzgün yönetilmediği takdirde sıcak noktalara yol açabilen termal direnç oluşturur.

Geleneksel silikon bazlı CoWoS'ta, ara katman ısıyı orta derecede iyi iletir, ancak kalınlık ve malzeme sınırlamaları etkinliğini kısıtlar. Çiplet mimarileri yoğunlaştıkça, sıcak noktalar artar ve termal gradyanlar mekanik gerilime neden olabilir. Bu gibi durumlarda, SiC alt tabakası gibi malzemeler, yanal ısı yayılımını artırabilir ve termal kaynaklı deformasyon riskini azaltabilir, sistem seviyesinde termal yönetimde kritik bir boşluğu doldurur.

Silikon Ara Katmanlar: Güçlü Yönleri ve Sınırlamaları

Silikon ara katmanlar, olgun üretim süreçleri, ince aralıklı ara bağlantı uyumluluğu ve elektriksel performansı nedeniyle CoWoS'ta yaygın olarak benimsenmektedir. Düşük ila orta güç uygulamaları için silikon ara katmanlar iyi çalışır, hassas sinyal yönlendirmesi ve mekanik destek sağlar.

Ancak, CoWoS yüksek güçlü uygulamalara ölçeklendikçe, sınırlamalar belirgin hale gelir:

• Yerelleştirilmiş sıcak noktalar performansı ve güvenilirliği azaltır.

• Silikon ara katman ve yüksek güçlü kalıplar arasındaki termal genleşme uyumsuzluğu gerilime ve eğilmeye neden olabilir.

• Kalınlık kısıtlamaları, ara katmanın ısıyı etkili bir şekilde dağıtma yeteneğini sınırlar.

Bu zorluklar, SiC alt tabakası gibi alternatif veya tamamlayıcı malzemelerin, yeni nesil CoWoS sistemlerinde performansı ve güvenilirliği korumak için neden gerekli olduğunu göstermektedir.

Termal Malzeme Paletini Genişletmek

Yüksek yoğunluklu CoWoS paketlemenin termal taleplerini karşılamak, silikonun ötesine geçmeyi gerektirir. Malzeme mühendisleri artık çeşitli yaklaşımlara odaklanıyor:

1. Gelişmiş Isı Yayıcılar: Bakır veya bakır-molibden kompozitler, yerel termal direnci azaltabilir, ancak genellikle mekanik uyumsuzluk yaratırlar.

2. Yüksek Performanslı Termal Arayüz Malzemeleri (TIM'ler): Temas direncini azaltır, ancak temel malzeme sınırlarını aşamaz.

3. Seramikler ve Geniş Bant Aralıklı Malzemeler: SiC alt tabakası gibi malzemeler, yüksek termal iletkenliği mekanik dayanım ve kimyasal kararlılıkla birleştirerek, onları yüksek güçlü, yüksek yoğunluklu CoWoS uygulamaları için ideal hale getirir.

Bu malzemelerin stratejik olarak entegre edilmesiyle, her katmanın termal yönetimde açıkça tanımlanmış bir role sahip olduğu ve yalnızca harici soğutmaya güvenmek yerine bir CoWoS paketi oluşturmak mümkün hale gelir.

Silisyum Karbür Alt Tabakası: CoWoS'taki Fonksiyonel Rolleri

SiC alt tabakası, CoWoS paketlerinde termal yönetim için geleneksel silikona göre çeşitli avantajlar sunar:

• Yüksek Termal İletkenlik: Sıcak noktaları en aza indirerek yanal ve dikey ısı yayılımını kolaylaştırır.

• Düşük Termal Genleşme Katsayısı (CTE): Termal döngüler sırasında mekanik gerilimi azaltır.

• Mekanik Sağlamlık: İnce ve geniş alanlı gofretlerde boyutsal kararlılığı korur.

• Kimyasal Kararlılık: Agresif yüksek sıcaklık işlemleri ve uzun süreli çalışma ile uyumludur.

Pratik uygulamalarda, SiC alt tabakası çoklu roller üstlenebilir:

• Yüksek performanslı bir ara katman olarak, silikon katmanların yerini alarak veya tamamlayarak.

• Yüksek güçlü kalıpların altında gömülü bir ısı yayıcı katman olarak.

• Paketi stabilize etmek ve termal gerilim altında eğilmeyi önlemek için yapısal bir katman olarak.

Bu roller, ara katman ve alt tabakanın sadece bir elektrik ara bağlantı katmanı olarak değil, birleşik bir termal ve mekanik platform olarak işlev görmesini sağlar.

Termal Malzemelerin Sistem Seviyesindeki Etkileri

Termal yönetim malzemeleri, ısı dağılımından daha fazlasını etkiler—genel sistem mimarisini belirlerler. SiC alt tabakası veya benzeri gelişmiş malzemeleri dahil ederek, tasarımcılar şunları başarabilirler:

• Sürekli yüksek güçlü çalışma altında daha yüksek sürdürülebilir performans.

• Güvenilirliği artıran ve arıza oranlarını azaltan, azaltılmış termal gradyanlar.

• Yapay zeka hızlandırıcıları ve yüksek performanslı hesaplamada yenilikçi tasarımlar sağlayan, daha kompakt çoklu çip modülleri ve heterojen entegrasyon.

Başka bir deyişle, termal malzemeler artık kısıtlamalardan ziyade sağlayıcılar olarak hareket ediyor. Malzeme katmanında yapılan kararlar, paket düzenini, çiplet yerleşimini ve sonuç olarak tüm sistemin performansını etkiler.

CoWoS'ta SiC Alt Tabakası için Üretim Hususları

SiC alt tabakası önemli avantajlar sunarken, CoWoS paketlerine entegrasyonu dikkatli bir değerlendirme gerektirir:

• Gofret İnceltme: SiC, silikondan daha serttir, bu da hassas inceltmeyi zorlaştırır.

• Via Oluşturma: SiC'den geçen vialar gelişmiş aşındırma veya lazer destekli yöntemler gerektirir.

• Metalizasyon: SiC üzerinde güçlü, güvenilir metal yapışma elde etmek, yüksek sıcaklıkta çalışmaya göre uyarlanmış bariyer ve yapışma katmanları gerektirir.

• Kusur Kontrolü: 12 inçlik CoWoS için geniş alanlı SiC gofretler, verimi sağlamak için tekdüzelik ve düşük kusur yoğunluğunu korumalıdır.

Bu zorluklar önemsiz değildir ancak aşılabilir. Süreç kontrolü, denetim ve malzeme işleme çözümleri, yüksek performanslı CoWoS uygulamalarında SiC alt tabakasının kullanımını sağlar.

Malzeme Odaklı CoWoS Mimarilerine Doğru

CoWoS'un evrimi, gelişmiş paketlemenin giderek daha fazla malzeme odaklı olacağını gösteriyor. Elektriksel bağlantı hala önemlidir, ancak termal ve mekanik özellikler artık eşit derecede kritik bir rol oynuyor. SiC alt tabakası entegre edilerek, CoWoS paketleri daha yüksek güç yoğunluklarını destekleyebilir, termal arıza riskini azaltabilir ve karmaşık heterojen entegrasyon mimarilerini sağlayabilir.

Bu değişim aynı zamanda yarı iletken paketlemede daha geniş bir eğilimi vurgulamaktadır: malzeme bilimi, makine mühendisliği ve sistem seviyesinde tasarım birleşiyor. Gelecekteki CoWoS paketleri, ara bağlantı aralığı veya kalıp boyutu kadar termal malzeme seçimiyle de tanımlanacaktır.

Sonuç

CoWoS termal yönetim malzemeleri artık çevresel değil—modern yüksek performanslı sistemlerin çalışma zarfını tanımlıyorlar. Geleneksel silikon katmanlar termal sınırlarına ulaşıyor ve SiC alt tabakası gibi yenilikçi malzemeler, ısı yayılımı, mekanik kararlılık ve uzun süreli güvenilirlik için yeni yollar sağlıyor.

Malzeme seviyesinde inovasyonu ve entegrasyonu önceliklendirerek, CoWoS tasarımcıları, zorlu ortamlarda daha yüksek performans, daha yoğun mimariler ve sağlam çalışma sağlayabilirler. Güç yoğunlukları artmaya devam ettikçe, SiC alt tabakası, malzeme bilimi ve sistem seviyesinde performans arasındaki boşluğu doldurarak, yeni nesil CoWoS teknolojisinin önemli bir sağlayıcısı haline gelecektir.