3D パッケージ化チップの放熱ソリューション

業界が 3D パッケージングに移行し、デジタル ロジックの拡張が続くにつれて、熱の問題が増大し、研究開発の限界が押し上げられています。狭い空間で熱が高すぎると、製品が熱すぎて持てなくなるなど、実際の問題が発生する可能性があります。過熱した DRAM は電力と信頼性の損失により常にリフレッシュする必要があるため、自動車などの高温産業ではチップへのストレスがさらに高まります。

理想的な条件では、チップは銅でできており、基板は 100% 銅になります。たとえそれが可能だったとしても、パッケージ内の他の制限要因により、チップのパフォーマンスが向上することはありません。

2.5D および 3D パッケージでは、熱への懸念が初期の設計およびパッケージングの決定事項になりつつあります。熱放散は、メモリとロジック スタック上のロジックの両方の観点から考慮する必要がある重要な問題の 1 つです。

解決策を求めて、マイクロ流体工学とサーマルインターフェースマテリアル（TIM）が主要な開発分野として浮上しました。熱を放散するには、液体クーラーをチップに直接取り付けるか、チップ自体にチャネルを組み込むことができます。TIM側には焼結銀エポキシを使用しています。

マイクロ流体工学は間もなく生産に移行する可能性があります。特にスタックされた高性能ロジックを実行し始めた場合、それは非常にエキゾチックな場所で現れ始めるでしょう。冷却手段が講じられない場合、スタック ロジックの放熱は単一チップの熱放散に制限されます。これらの問題に対処するには大きな経済的推進力が必要です。

過去 40 年間、商用マイクロ流体工学が手の届くところにありました。半導体を冷却するためにマイクロ/ナノスケールのチャネルに液体を埋め込むというアイデアは、今では古典的な論文で最初に説明されました。1981 年以来、さまざまな変種が試行され、現在、いくつかのプロジェクトで実際の実用的な冷却が期待できることが示されています。熱の観点から見ると、冷却剤を熱源のできるだけ近くに配置でき、この構成ではいくつかの熱障壁が排除されるため、これは非常に興味深い冷却ソリューションです。マイクロ流体ターゲットの実用バージョンは、TIM やボンディングに依存するのではなく、チャネルをチップに直接統合します。後者は信頼性の問題により商業市場を不安定化させています。これは破壊的です 冷却液 この冷却方法の可能性を最大限に発揮するには、流体チャネル構造と電子機器の間の緊密な共同設計が必要です。非常に高い電力密度を伴う困難なアプリケーションに最適です。数百 W/cm2 の範囲の電力密度を伴う CMOS アプリケーションの場合、数百 µm のより緩やかなチャネル直径を持つ個別の冷却ブロックを使用できます。

アーキタイプには主に 2 つのタイプがあります。1つはシリコンマイクロチャネルクーラーで、主な開発は低熱抵抗のチップへの接合です。もう 1 つは、複雑な形状の 3D プリントされた冷却ジオメトリを使用したチップ上の直接液体冷却です。

冷却器は、1 mm 2 -K/W 未満の非常に低い熱抵抗でのウェハ間接合の知識を使用してチップに接合されます。サーマルインターフェースマテリアルの代わりに、融着、酸化物結合、または金属結合を使用します。半導体プロセスの主な利点は、非常に細い線を厳しい公差で作成できることです。

パッケージの機械的完全性を確保するために、蓋がないことを補うために補強リングが必要になることがよくあります。通路が小さすぎると、冷却剤を押し出す圧力降下が高くなりすぎます。そして液体の体積は有限です。導入が遅れる主な理由は、信頼性の問題 (漏れ)、メンテナンスの必要性、およびシステムの複雑さです。圧力が高いと潜在的に不利になりますが、障害にはなりません。

市販の液体冷却方式を 4 つの異なるタイプに分類します。

ボルトオン式クーラー、データセンターで利用可能な最先端のテクノロジー。の 冷却プレート ラジエーターの代わりに蓋の上にあります。上下にTIMを使用しています。

クーラーは、サーマル インターフェイス マテリアルの 1 層だけを使用してチップに直接接着されています。一部の場所ではこの構成が採用され始めています。

背面冷却 このレイアウトは研究でのみ提案されており、冷却剤を熱源に近づけることができます。接着する代わりに、チップと直接接触する誘電性流体を使用します。液体とチップの間には垂直方向の接続があります。したがって、横方向設計の熱勾配の問題が回避されます。

オンチップ冷却では、チップに埋め込まれたチャネル内に冷却剤を含めます。最高の冷却を提供しますが、潜在的な課題の 1 つは、低ピッチのチャンネルを配置するための十分なスペースがない可能性があることです。

また、3D技術を応用したセラミックアルミナ製内部冷却パッケージを試作。上部メタライゼーションには厚膜技術が使用されており、複数の SiC FET が接続されます。酸化アルミニウムはすでに酸化物であり、銅は酸化しやすいため、これら 2 つの酸化物の組み合わせによってこの界面が形成されます。これは現在、セラミックからパワーモジュールを製造する最も安価な方法であり、コストを削減します。絶縁金属基板 (IMS) は基本的に他の PCB 製造技術と同様ですが、重い銅を使用します。ほとんどの PCB 銅には 0.25 ～ 0.5 オンスの銅が含まれていますが、これは 3 ～ 4 オンスに近いものです。これは、同じ設置面積のアルミナよりもコスト効率が高いものです。

プロトタイプの寸法は一般的な基板よりも厚いですが、この長方形の構造が特別なのは、内部を通るチャネルがあり、短い側面に出口穴があることです。フルデューティサイクルまで電源を投入すると、モジュールは大量の熱を放散します。暑さを取り除くにはどうすればよいですか？冷気、窒素冷却剤、またはその他の冷たい物質などの冷却剤がチャネルを通って送られます。冷却液が流れると冷却されます。

前述のボルトオン クーラーとダイレクト ボンド クーラーは両方とも、他の多くの構成と同様に、TIM を使用してチップとクーラー間の熱伝達を最適化します。TIM では、サーマル グリース、ギャップ フィラー、絶縁ハードウェア材料、相変化材料、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ベリリウムなどの熱伝導性エポキシなど、さまざまな材料が使用されます。

しかし、多くの TIM は、広く使用されていることが示唆するほど効率的ではないことが判明しています。液体冷却の性能が向上するにつれて、サーマルインターフェースマテリアルが重要な熱ボトルネックになります。システム インテグレーターは、TIM をよりパフォーマンスの高い材料に置き換える方法や信頼性のリスクについて多くの質問を抱えています。

課題は、非常に高い熱伝導率を持ち、同時にさまざまなコンポーネントのトポロジーに追従できる柔軟性を備えた材料を見つけることでした。

一般に、導電性の良いほとんどの材料は非常に硬いため、適合しないだけでなく応力が加わります。このような特性を持つ単一の材料は存在しないため、複合材料を作成して設計する必要がありました。熱伝導性を向上させるために内部に熱伝導性粒子を追加できるようになりました。複合材料もあり得る。カーボンナノチューブやグラフェンシートもあるかもしれない。その特定の分野では多くの進歩がありました。

新しい材料の緊急の必要性を考えると、熱問題を解決するための材料科学のブレークスルーの重要性を尊重する必要があります。業界が柔軟性、信頼性、経済性に優れた材料を見つけるまでの道のりはまだ長いです。

ポリマーをベースとしない多くの異なる TIM が研究されています。たとえば、銀を焼結すると、蓋と型の間に非常に硬く、熱伝導率の高い銀合金マトリックスが形成されます。別の例は、より柔らかい金属材料です。信頼性などの利点がなければ、数年前によく話題になった相変化材料は消滅したように思えます。

フリップチップ パッケージで電力を放散するには、焼結銀エポキシの方が優れた熱性能を示すため、無圧焼結エポキシ (Atrox など) または加圧焼結エポキシ (Argomax) が使用されます。フリップチップアプローチでは、ヒートシンクはニッケルメッキ銅設計であり、界面でサーマルインターフェイスマテリアル（TIM）を備えたチップの裏面と接触します。他の技術革新では、チップの背面に複数のワイヤを使用し、それらのワイヤを PCB のグランド プレーンに接続して熱放散を改善します。銅は依然として最良の熱インターフェースであり、コスト効率が非常に優れています。

TIM の必要性を完全に排除する方法があれば、これがマイクロ流体工学に取り組む動機の 1 つになります。代替の冷却ソリューションを使用すると、界面材料の使用を回避できます。チップに近づくと、これらの物質が除去されます。素材を改良するか、捨てるかのどちらかです。

これらの課題の結果、熱問題への対応が予算上の優先事項のリストにますます上がっています。クライアントは、予算の多くを熱エネルギーに費やさなければならないことに驚かれることがよくあります。すべては非常に複雑です。何か新しいものを扱い、通常はそれが効果的であることが証明され、すべての責任問題が解決されるまでは採用しません。多くの顧客がこのことに気づき、より高度なエンジニアリング、スキル、経験を備えた製品を生産し始めています。