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A importância crescente da gestão térmica

A embalagem CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate) tornou-se uma abordagem dominante para computação de alto desempenho, aceleradores de IA e módulos de memória de alta largura de banda.O foco principal é frequentemente a densidade de interconexãoNo entanto, um dos fatores mais críticos que limitam o desempenho é a gestão térmica.

Com o aumento das densidades de energia, as soluções de arrefecimento tradicionais, como dissipadores de calor, ventiladores ou arrefecimento a líquido, deixam de ser suficientes.Os sistemas de distribuição de calor desempenham um papel cada vez mais centralEntre os materiais emergentes, as soluções à base de carbono e os semicondutores de banda larga têm atraído a atenção, comSubstrato de SiC(substrato de carburo de silício)Com potencial único devido à sua elevada condutividade térmica, robustez mecânica e estabilidade térmica.

O caminho térmico do CoWoS: compreender o desafio

Um pacote CoWoS consiste em várias camadas através das quais o calor deve viajar.e finalmente chega ao sistema de arrefecimento externoCada camada introduz resistência térmica, que pode levar a pontos quentes se não forem geridos adequadamente.

No tradicional CoWoS baseado em silício, o interposto conduz o calor moderadamente bem, mas a espessura e as limitações de material restringem sua eficácia.Aumento dos hotspotsEm tais condições, os materiais comoSubstrato de SiCPode melhorar a propagação lateral do calor e reduzir o risco de deformação induzida por calor, suprindo uma lacuna crítica na gestão térmica a nível do sistema.

Interpostores de silício: pontos fortes e limitações

Os interpostos de silício são amplamente adotados no CoWoS devido aos seus processos de fabricação maduros, compatibilidade de interconexão de tom fino e desempenho elétrico.Os interpostores de silício funcionam bem., proporcionando um encaminhamento preciso do sinal e um apoio mecânico.

No entanto, à medida que o CoWoS se amplia para aplicações de alta potência, as limitações tornam-se evidentes:

• Os hotspots localizados reduzem o desempenho e a confiabilidade.

• O desajuste de expansão térmica entre o interposto de silício e as matrizes de alta potência pode induzir estresse e deformação.

• As restrições de espessura limitam a capacidade do interposto de dissipar o calor de forma eficaz.

Estes desafios ilustram por que os materiais alternativos ou complementares, comoSubstrato de SiC, são necessários para manter o desempenho e a fiabilidade nos sistemas CoWoS de próxima geração.

Expandir a paleta de materiais térmicos

Os engenheiros de materiais agora se concentram em várias abordagens:

1. Dispersores de calor avançados: Os compósitos de cobre ou de cobre-molibdênio podem reduzir a resistência térmica local, mas muitas vezes introduzem desajustes mecânicos.

2. Materiais de interface térmica de alto desempenho (TIM): Reduz a resistência ao contacto, mas não consegue ultrapassar os limites fundamentais do material.

3. Cerâmica e materiais de banda largaMateriais como:Substrato de SiCcombinam uma elevada condutividade térmica com resistência mecânica e estabilidade química, tornando-os ideais para aplicações CoWoS de alta potência e alta densidade.

Ao integrar estrategicamente estes materiais,torna-se possível criar um pacote CoWoS onde cada camada tem um papel claramente definido na gestão térmica em vez de depender apenas do resfriamento externo.

Substrato de carburo de silício: papéis funcionais no CoWoS

O substrato SiC oferece várias vantagens em relação ao silício convencional para gestão térmica em embalagens CoWoS:

• Alta condutividade térmicaFacilitar a propagação lateral e vertical do calor, minimizando os pontos quentes.

• Baixo coeficiente de expansão térmica (CTE): Reduz o esforço mecânico durante o ciclo térmico.

• Robustez mecânica: Mantém a estabilidade dimensional em wafers finos e de grande área.

• Estabilidade química: Compatível com processamento agressivo a altas temperaturas e operação a longo prazo.

Em aplicações práticas, o substrato de SiC pode desempenhar múltiplas funções:

• Como interposto de alto desempenho, substituindo ou complementando as camadas de silício.

• Como uma camada de propagação de calor embutida sob matrizes de alta potência.

• Como uma camada estrutural para estabilizar o pacote e evitar a deformação sob estresse térmico.

Estes papéis permitem que o interposto e o substrato funcionem como um únicoplataforma térmica e mecânica, não apenas como uma camada de interconexão elétrica.

Implicações dos materiais térmicos a nível do sistema

Os materiais de gestão térmica influenciam mais do que a dissipação de calor, eles determinam a arquitetura global do sistema.Substrato de SiCou materiais avançados semelhantes, os designers podem alcançar:

• Desempenho superior e sustentado em operação contínua de alta potência.

• Redução dos gradientes térmicos, melhoria da fiabilidade e redução das taxas de falha.

• Módulos multi-chip mais compactos e integração heterogénea, permitindo projetos inovadores em aceleradores de IA e computação de alto desempenho.

Em outras palavras, os materiais térmicos atuam agora como facilitadores em vez de restrições.o desempenho de todo o sistema.

Considerações de fabrico para o substrato de SiC no CoWoS

Embora o substrato SiC ofereça vantagens significativas, a sua integração em pacotes CoWoS requer uma consideração cuidadosa:

• Afinação de wafers: O SiC é mais duro que o silício, o que dificulta o afinamento de precisão.

• Via Formação: As vias através de SiC requerem métodos avançados de gravação ou de assistência a laser.

• Metalização: A obtenção de uma forte e fiável adesão do metal ao SiC requer camadas de barreira e adesão adaptadas ao funcionamento em altas temperaturas.

• Controle de defeitos: As placas de SiC de grande área para o CoWoS de 12 polegadas devem manter a uniformidade e a baixa densidade de defeito para garantir o rendimento.

Esses desafios não são triviais, mas podem ser superados.

Rumo a Arquiteturas CoWoS centradas em materiais

A evolução do CoWoS sugere que as embalagens avançadas serão cada vez mais utilizadas para a produção de produtos de qualidade.motorizados por materiaisA conectividade elétrica continua a ser importante, mas as propriedades térmicas e mecânicas desempenham agora um papel igualmente crítico.Substrato de SiC, os pacotes CoWoS podem suportar densidades de potência mais elevadas, reduzir o risco de falhas térmicas e permitir arquiteturas complexas de integração heterogênea.

Esta mudança também destaca uma tendência mais ampla na embalagem de semicondutores: a ciência dos materiais, a engenharia mecânica e o design a nível do sistema estão convergindo.Os futuros pacotes CoWoS serão definidos tanto pela escolha de materiais térmicos como pelo passo de interconexão ou tamanho da matriz.

Conclusão

Os materiais de gestão térmica CoWoS já não são periféricos, definem o âmbito de funcionamento dos sistemas modernos de alto desempenho.e materiais inovadores comoSubstrato de SiCfornecer novas vias de propagação do calor, estabilidade mecânica e fiabilidade a longo prazo.

Ao priorizar a inovação e integração no nível do material, os designers do CoWoS podem desbloquear maior desempenho, arquiteturas mais densas e operação robusta em ambientes exigentes.À medida que as densidades de energia continuam a aumentar, o substrato de SiC tornar-se-á um facilitador chave da tecnologia CoWoS de próxima geração, preenchendo a lacuna entre a ciência dos materiais e o desempenho a nível do sistema.