حل لتبديد الحرارة للرقائق المعبأة ثلاثية الأبعاد

مع انتقال الصناعة إلى التغليف ثلاثي الأبعاد واستمرارها في توسيع نطاق المنطق الرقمي ، تدفع التحديات الحرارية المتزايدة حدود البحث والتطوير.يمكن أن تتسبب الحرارة الزائدة في مساحة صغيرة في حدوث مشكلات حقيقية ، مثل أن تكون المنتجات ساخنة للغاية بحيث لا يمكن حملها.تحتاج ذاكرة DRAM المحموم إلى التحديث باستمرار بسبب فقدان الطاقة والموثوقية ، مما يجعل الشريحة أكثر توتراً في الصناعات ذات درجة الحرارة المرتفعة مثل السيارات.

في الظروف المثالية ، ستكون الرقاقة مصنوعة من النحاس وستكون الطبقة التحتية من النحاس بنسبة 100٪.حتى لو كان ذلك ممكنًا ، فلن تحصل الشريحة على مزيد من الأداء بسبب بعض العوامل المحددة الأخرى في الحزمة.

أصبحت المخاوف الحرارية قرارًا مبكرًا للتصميم والتعبئة في حزم 2.5D و 3D.يعد تبديد الحرارة أحد القضايا الرئيسية التي يجب مراعاتها ، سواء من حيث الذاكرة أو المنطق في المكدس المنطقي.

بحثًا عن حلول ، ظهرت الموائع الدقيقة ومواد الواجهة الحرارية (TIMs) كمجالات رئيسية للتنمية.لتبديد الحرارة ، يمكن توصيل مبرد سائل مباشرة بالرقاقة ، أو يمكن دمج القنوات في الشريحة نفسها.على الجانب TIM ، يتم استخدام الإيبوكسي الفضي الملبد.

قد تنتقل الموائع الدقيقة إلى الإنتاج قريبًا.سيبدأ في الظهور في أماكن غريبة للغاية ، خاصة إذا بدأت في تنفيذ منطق عالي الأداء.إذا لم يتم اتخاذ تدابير التبريد ، فسيقتصر منطق التكديس على تبديد الحرارة لشريحة واحدة.هناك زخم اقتصادي ضخم لمعالجة هذه القضايا.

على مدار الأربعين عامًا الماضية ، كانت الموائع الدقيقة التجارية في متناول اليد.تم وصف فكرة تضمين السوائل في القنوات الدقيقة / النانوية لتبريد أشباه الموصلات لأول مرة في ورقة بحثية أصبحت الآن كلاسيكية.تمت تجربة المتغيرات المختلفة منذ عام 1981 ، والآن تُظهر بعض المشاريع وعدًا حقيقيًا وعمليًا بالتبريد.من وجهة النظر الحرارية ، يعد هذا حل تبريد مثيرًا للاهتمام ، حيث يمكن وضع المبرد في أقرب مكان ممكن من مصدر الحرارة ، ويتم التخلص من العديد من الحواجز الحرارية في هذا التكوين.تدمج نسخة العمل من هدف موائع جزيئية القنوات مباشرة في الشريحة ، بدلاً من الاعتماد على TIMs أو الترابط.وقد أدى هذا الأخير إلى زعزعة استقرار السوق التجاري بسبب مشكلات الموثوقية.هذا هو التخريب محلول التبريد يتطلب تصميمًا مشتركًا محكمًا بين هياكل قنوات السوائل والإلكترونيات لتحقيق الإمكانات الكاملة لطريقة التبريد هذه.إنه مثالي للتطبيقات الصعبة ذات كثافة الطاقة العالية للغاية.بالنسبة لتطبيقات CMOS ذات كثافة الطاقة في نطاق مئات W / cm⊃2; ، يمكن استخدام كتل تبريد منفصلة ذات أقطار قناة أكثر استرخاءً تصل إلى عدة مئات من ميكرومتر.

هناك نوعان رئيسيان من النماذج البدئية.أحدهما عبارة عن مبرد قناة سيليكون متناهية الصغر ، والتطور الرئيسي هو الارتباط بالشريحة ذات المقاومة الحرارية المنخفضة.والآخر هو تبريد سائل مباشر للرقاقة باستخدام أشكال هندسية معقدة مطبوعة ثلاثية الأبعاد للتبريد.

يتم ربط المبرد بالرقاقة باستخدام معرفة ارتباط الرقاقة مع مقاومة حرارية منخفضة جدًا أقل من 1 مم 2 -K / W.استخدم رابطة الانصهار أو رابطة الأكسيد أو الرابطة المعدنية بدلاً من مواد الواجهة الحرارية.الميزة الرئيسية لمعالجة أشباه الموصلات هي أنه يمكن عمل خطوط دقيقة للغاية لتحمل ضيق.

غالبًا ما تكون حلقة التسليح مطلوبة للتعويض عن عدم وجود غطاء للسلامة الميكانيكية للحزمة.إذا كانت الممرات صغيرة جدًا ، فسيكون انخفاض الضغط الذي يدفع المبرد من خلاله مرتفعًا جدًا.وحجم السائل محدود.الأسباب الرئيسية للتبني البطيء هي قضايا الموثوقية (التسرب) ومتطلبات الصيانة وتعقيد النظام.الضغط العالي هو عيب محتمل ، لكنه ليس عائقًا.

قسّم طرق التبريد التجاري بالسائل إلى أربعة أنواع متميزة.

مبردات تُثبَّت بمسامير ، وهي أحدث التقنيات المتوفرة في مراكز البيانات.ال لوحة التبريد يجلس أعلى الغطاء بدلاً من المبرد.يستخدم TIM في الأعلى والأسفل.

يتم ربط المبرد مباشرة بالرقاقة بطبقة واحدة فقط من مادة الواجهة الحرارية.بدأت بعض الأماكن في اعتماد هذا التكوين.

التبريد الخلفي تم اقتراح هذا التصميم في الدراسات فقط ويسمح لسائل التبريد بأن يكون أقرب إلى مصدر الحرارة.بدلاً من الترابط ، فإنه يستخدم مائع عازل يكون على اتصال مباشر بالرقاقة.هناك اتصال عمودي بين السائل والرقاقة.لذلك ، يتم تجنب مشاكل التدرج الحراري للتصاميم الجانبية.

يتضمن التبريد على الرقاقة تضمين سائل التبريد داخل القنوات المدمجة في الشريحة.على الرغم من أنه يوفر أفضل تبريد ، إلا أن أحد التحديات المحتملة هو أنه قد لا يكون هناك مساحة كافية للقنوات ذات درجة الصوت المنخفضة.

بالإضافة إلى ذلك ، نموذج أولي لحزمة مبردة داخليًا ، تم إنشاؤها باستخدام تقنية ثلاثية الأبعاد ومصنوعة من الألومينا الخزفية.إنها تستخدم تقنية الأغشية السميكة للمعادن العليا وسيتم توصيل العديد من SiC FETs بها.أكسيد الألومنيوم هو بالفعل أكسيد ، والنحاس يتأكسد بسهولة ، لذا فإن الجمع بين هذين الأكاسيد هو كيفية تشكيل هذه الواجهة.تعد هذه حاليًا أرخص طريقة لتصنيع وحدات الطاقة من السيراميك ، مما يقلل التكاليف.الركيزة المعدنية المعزولة (IMS) هي أساسًا مثل أي تقنية لتصنيع ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، ولكنها تستخدم النحاس الثقيل.في حين أن معظم النحاس ثنائي الفينيل متعدد الكلور يحتوي على 0.25 إلى 0.5 أوقية من النحاس ، فإنه أقرب إلى 3 أو 4 أوقية.هذا شيء أكثر فعالية من حيث التكلفة من الألومينا بنفس البصمة.

على الرغم من أن أبعاد النموذج الأولي أكثر سمكًا من الركائز النموذجية ، فإن ما يجعل هذا الهيكل المستطيل مميزًا هو أنه يحتوي على قنوات تمر عبره ، مع وجود فتحات خروج على جوانبها الأقصر.عندما تصل الطاقة إلى دورة التشغيل الكاملة ، فإن الوحدة تبدد الكثير من الحرارة.كيف تتخلص من الحرارة؟يتم إرسال المبرد عبر القناة ، مثل الهواء البارد ، أو مبرد النيتروجين ، أو بعض المواد الباردة الأخرى.عندما يعمل المبرد ، يبرد.

يستخدم كل من المبرد المثبت بمسامير ومبرد الربط المباشر الموصوف أعلاه TIM لتحسين نقل الحرارة بين الشريحة والمبرد ، كما هو الحال مع العديد من التكوينات الأخرى.تستخدم TIMs مجموعة متنوعة من المواد بما في ذلك الشحوم الحرارية ، وحشو الفجوات ، ومواد الأجهزة العازلة ، ومواد تغيير الطور ، والإيبوكسيات الموصلة حراريًا مثل أكسيد الألومنيوم ، ونتريد الألومنيوم ، وأكسيد البريليوم.

ومع ذلك ، اتضح أن العديد من TIMs ليست فعالة كما يوحي استخدامها على نطاق واسع.مع زيادة أداء التبريد السائل ، تصبح مواد الواجهة الحرارية عنق زجاجة حراري مهم.لدى تكامل النظام العديد من الأسئلة حول كيفية استبدال TIMs بمواد ذات أداء أفضل وما هي مخاطر الموثوقية.

كان التحدي هو العثور على مادة ذات موصلية حرارية عالية جدًا وفي نفس الوقت مرنة جدًا بحيث يمكنها متابعة طوبولوجيا المكونات المختلفة.

بشكل عام ، تكون معظم المواد ذات الموصلية الكهربائية الجيدة شديدة الصلابة أيضًا ، لذا فهي لن تتكيف فحسب ، بل ستزيد من الضغط.لا توجد مادة واحدة لها هذه الخصائص ، لذلك كان لابد من تصميم المرء عن طريق صنع المواد المركبة.يمكن الآن إضافة الجسيمات الموصلة حراريًا إلى الداخل لتحسين التوصيل الحراري.يمكن أن تكون هناك مواد مركبة.قد يكون هناك حتى أنابيب نانوية كربونية أو صفائح جرافين.كان هناك الكثير من التقدم في هذا المجال بالذات.

نظرًا للحاجة الملحة لمواد جديدة ، يجب أن نحترم أهمية الاختراقات في علم المواد لحل المشكلات الحرارية.لا يزال أمام الصناعة طريق طويل لتقطعه للعثور على مواد مرنة وموثوقة واقتصادية.

يتم استكشاف العديد من TIMs المختلفة التي لا تعتمد على البوليمرات.على سبيل المثال ، تكون نتيجة تلبيد الفضة عبارة عن مصفوفة من سبائك الفضة شديدة الصلابة وعالية التوصيل الحراري بين الغطاء والقالب.مثال آخر هو المواد المعدنية اللينة.عندما لا تكون الموثوقية والمزايا الأخرى موجودة ، يبدو أن مواد تغيير الطور التي تم الحديث عنها كثيرًا منذ بضع سنوات قد اختفت.

لتبديد الطاقة في عبوات الرقائق ، تُظهر الإيبوكسيات الفضية الملبدة أداءً حراريًا أفضل ، لذلك يستخدم الناس إيبوكسيات غير مضغوطة (مثل Atrox) أو إيبوكسيات مُلبدة بالضغط (Argomax).في نهج رقاقة الوجه ، فإن المشتت الحراري عبارة عن تصميم نحاسي مطلي بالنيكل يتصل بالجانب الخلفي للرقاقة بمادة واجهة حرارية (TIM) في الواجهة.تستخدم الابتكارات الأخرى أسلاكًا متعددة على الجزء الخلفي من الشريحة ، والتي يتم توصيلها بعد ذلك بالمستوى الأرضي لثنائي الفينيل متعدد الكلور لتحسين تبديد الحرارة.لا يزال النحاس هو أفضل واجهة حرارية وهو فعال من حيث التكلفة.

هذا هو أحد الدوافع للعمل في الموائع الدقيقة إذا كانت هناك طريقة من شأنها أن تلغي تمامًا الحاجة إلى TIM.يمكن أن تتجنب حلول التبريد البديلة استخدام مواد الواجهة.الاقتراب من الشريحة يقضي على هذه المواد.إما تحسين المواد أو التخلص منها.

نتيجة هذه التحديات هي أن معالجة قضايا الحرارة تتزايد بشكل متزايد في قائمة أولويات الميزانية.غالبًا ما يندهش العملاء من أنه يتعين عليهم إنفاق الكثير من ميزانيتهم ​​على الطاقة الحرارية.كل شيء يأتي مع الكثير من التعقيد.عالج شيئًا جديدًا ولا تتبناه عادةً حتى تثبت فعاليته ويتم حل جميع مشكلات المسؤولية.أصبح العديد من العملاء على دراية بهذا الأمر وبدأوا في إنتاج منتجات بهندسة ومهارة وخبرة أكثر تقدمًا.