チップパッケージングの熱問題を解決する方法

高度なパッケージング チップは、高性能コンピューティング、人工知能、電力密度の増加などのニーズを満たすだけでなく、高度なパッケージングの放熱問題を複雑化します。チップ上のホットスポットは、隣接するチップの熱分布に影響を与える可能性があるためです。チップ間の相互接続速度も、SoC よりもモジュールの方が遅くなります。

エンジニアは、複雑なモジュールから熱を放散する効果的な方法を模索しています。複数のチップを同じパッケージ内に並べて配置することで熱の問題を軽減できますが、同社はパフォーマンスの向上と消費電力の削減を目的としてチップのスタッキングと高密度パッケージングをさらに掘り下げているため、熱に関連する一連の新たな問題と闘っています。

CPU と HBM を備えた現在一般的なフリップ BGA のパッケージング面積は約 2500 平方ミリメートルです。大きなチップが 4 つまたは 5 つの小さなチップになる可能性があることがわかります。したがって、これらのチップが相互に通信するには、より多くの I/O が必要です。そのため熱を分散させることができます。実際、一部のデバイスは非常に複雑であるため、特定のフィールド用途に合わせてこれらのデバイスをカスタマイズするためにコンポーネントを簡単に交換することが困難です。このため、サーバー チップなど、数量や価格弾力性が非常に大きいコンポーネントには、多くの高度なパッケージング製品が使用されます。

設計プロセス中、回路設計者はモジュールに配置されたさまざまなチップの電力レベルの概念を持っているかもしれませんが、これらの電力レベルが信頼性の範囲内にあるかどうかはわかりません。したがって、エンジニアは、パッケージング モジュールを製造する前に、パッケージングの信頼性の熱解析を実行する新しい方法を模索しています。熱シミュレーションを通じて、温度差や電力関数などの標準的な方法を使用して温度と抵抗値を追跡しながら、シリコンチップ、回路基板、接着剤、TIM、またはパッケージカバーを通して熱がどのように伝導するかを理解できます。

熱シミュレーションは、材料の選択とマッチングを検討するための最も経済的な方法です。動作状態のチップをシミュレートすると、通常、1 つ以上のホットスポットが発見されるため、ホットスポットの下の基板に銅を追加して熱放散を促進できます。または、梱包材を変更してヒートシンクを追加してください。

パッケージングでは、熱の 90% 以上がチップの上部からパッケージング (通常は陽極酸化アルミニウムをベースとした垂直フィン) を介してヒートシンクに放散されます。熱伝導率の高いサーマル・インターフェース・マテリアル（TIM）がチップとパッケージの間に配置され、熱の伝達を助けます。 CPU 用の次世代 TIM には、金属シート合金 (インジウムや錫など) と銀焼結錫が含まれており、それぞれ導電率は 60W/mK と 50W/mK です。

高度なパッケージングの最初のコンセプトは、レゴの積み木のように機能するというもので、さまざまなプロセス ノードで開発されたチップを一緒に組み立てることができ、熱の問題が軽減されます。しかし、これには代償が伴います。性能と電力の観点からは、信号が伝播する必要がある距離が重要であり、回路は常に開いたままであるか、部分的に開いている必要があり、これが熱性能に影響を与える可能性があります。生産性と柔軟性を高めるためにチップを複数の部分に分割することは、思っているほど簡単ではありません。パッケージング内の各相互接続は最適化する必要があり、ホットスポットは単一チップに限定されなくなりました。
初期のモデリング ツールを使用すると、チップのさまざまな組み合わせを除外でき、複雑なモジュールの設計者に大きな推進力を提供できました。電力密度が継続的に増加するこの時代においても、熱シミュレーションと新しい TIM の導入は引き続き不可欠です。