칩 패키징의 열 문제를 해결하는 방법

고급 패키징 칩은 고성능 컴퓨팅, 인공 지능, 전력 밀도 증가 등의 요구 사항을 충족할 뿐만 아니라 고급 패키징의 열 방출 문제도 복잡하게 만듭니다. 칩의 핫스팟이 인접한 칩의 열 분포에 영향을 미칠 수 있기 때문입니다. 칩 간의 상호 연결 속도도 SoC보다 모듈에서 느립니다.

엔지니어들은 복잡한 모듈에서 열을 방출하는 효과적인 방법을 찾고 있습니다. 동일한 패키지에 여러 개의 칩을 나란히 배치하면 열 문제를 완화할 수 있지만, 회사가 성능을 향상하고 전력을 줄이기 위해 칩 적층 및 밀도 높은 패키징을 더욱 깊이 연구함에 따라 열과 관련된 일련의 새로운 문제와 싸우고 있습니다.

CPU와 HBM을 포함하는 현재 인기 있는 플립 BGA 패키징 면적은 약 2500제곱밀리미터입니다. 우리는 큰 칩이 4~5개의 작은 칩이 될 수 있음을 봅니다. 따라서 이들 칩이 서로 통신하려면 더 많은 I/O가 필요합니다. 그래서 열을 분산시킬 수 있습니다. 실제로 일부 장치는 너무 복잡해서 특정 현장 응용 분야에 맞게 장치를 맞춤화하기 위해 구성 요소를 쉽게 교체하기가 어렵습니다. 서버 칩처럼 수량이나 가격 탄력성이 매우 높은 부품에 고급 패키징 제품이 많이 사용되는 이유도 바로 여기에 있습니다.

설계 과정에서 회로 설계자는 모듈에 배치된 다양한 칩의 전력 수준에 대한 개념을 가질 수 있지만 이러한 전력 수준이 신뢰성 범위 내에 있는지 여부는 알지 못할 수 있습니다. 따라서 엔지니어들은 패키징 모듈을 제조하기 전에 패키징 신뢰성에 대한 열 분석을 수행하는 새로운 방법을 찾고 있습니다. 열 시뮬레이션을 통해 실리콘 칩, 회로 기판, 접착제, TIM 또는 포장 커버를 통해 열이 어떻게 전도되는지 이해할 수 있으며, 온도 차이 및 전력 함수와 같은 표준 방법을 사용하여 온도 및 저항 값을 추적할 수 있습니다.

열 시뮬레이션은 재료 선택 및 매칭을 탐색하는 가장 경제적인 방법입니다. 작동 상태의 칩을 시뮬레이션함으로써 우리는 일반적으로 하나 이상의 핫스팟을 발견하므로 핫스팟 아래 기판에 구리를 추가하여 열 방출을 촉진할 수 있습니다. 아니면 포장재를 바꾸고 방열판을 추가하세요.

패키징에서는 열의 90% 이상이 칩 상단에서 패키징(보통 양극 산화 알루미늄을 기반으로 한 수직 핀)을 통해 방열판으로 방출됩니다. 칩과 패키지 사이에는 열전도율이 높은 TIM(Thermal Interface Material)이 배치되어 열 전달을 돕습니다. 차세대 CPU용 TIM에는 각각 60W/mK 및 50W/mK의 전도성을 지닌 금속 시트 합금(예: 인듐 및 주석)과 은 소결 주석이 포함됩니다.

고급 패키징의 초기 개념은 LEGO 빌딩 블록처럼 작동한다는 것입니다. 서로 다른 프로세스 노드에서 개발된 칩을 함께 조립할 수 있으며 열 문제가 완화됩니다. 그러나 여기에는 비용이 따릅니다. 성능과 전력의 관점에서 신호가 전파되어야 하는 거리는 매우 중요하며 회로는 항상 열려 있거나 부분적으로 열려 있어야 하므로 열 성능에 영향을 미칠 수 있습니다. 생산성과 유연성을 높이기 위해 칩을 여러 부분으로 분할하는 것은 보기만큼 간단하지 않습니다. 패키징의 각 상호 연결은 최적화되어야 하며 핫스팟은 더 이상 단일 칩으로 제한되지 않습니다.
초기 모델링 도구를 사용하면 다양한 칩 조합을 제외할 수 있어 복잡한 모듈 설계자에게 큰 원동력을 제공할 수 있습니다. 전력 밀도가 지속적으로 증가하는 시대에도 열 시뮬레이션과 새로운 TIM 도입은 여전히 ​​필수적입니다.