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La importancia creciente de la gestión térmica

El embalaje CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate) se ha convertido en un enfoque dominante para la computación de alto rendimiento, aceleradores de IA y módulos de memoria de alto ancho de banda.El foco principal es a menudo la densidad de interconexiónSin embargo, uno de los factores más críticos que en última instancia limita el rendimiento es la gestión térmica.

A medida que las densidades de energía siguen aumentando, las soluciones de refrigeración tradicionales como los disipadores de calor, los ventiladores o la refrigeración con líquido ya no son suficientes.Los radiadores de calor y los dispersores de calor desempeñan un papel cada vez más centralEntre los materiales emergentes, las soluciones basadas en carbono y los semiconductores de banda ancha han llamado la atención, conSubstrato de SiC(substrato de carburo de silicio)Muestra un potencial único debido a su alta conductividad térmica, robustez mecánica y estabilidad térmica.

La trayectoria térmica del CoWoS: comprender el reto

Un paquete CoWoS consiste en múltiples capas a través de las cuales el calor debe viajar. El calor generado por las matrices activas se propaga primero lateralmente a través del interponedor, luego se mueve verticalmente a través del sustrato,y finalmente llega al sistema de enfriamiento externoCada capa introduce resistencia térmica, que puede conducir a puntos calientes si no se gestiona adecuadamente.

En las CoWoS tradicionales basadas en silicio, el interposador conduce el calor moderadamente bien, pero el grosor y las limitaciones de los materiales restringen su efectividad.Aumento de los puntos calientesEn estas condiciones, los materiales como el acero, el acero, el acero, el acero, el acero, el acero, el acero, el acero, el acero, el acero, el acero, el acero, el acero, el acero, el acero, el acero, el acero, el acero, el acero, el acero, el acero, el acero, el acero, el acero, el acero, el acero, el acero, etc.Substrato de SiCpuede mejorar la propagación lateral del calor y reducir el riesgo de deformación inducida por la temperatura, eliminando una brecha crítica en la gestión térmica a nivel del sistema.

Interponedores de silicio: fortalezas y limitaciones

Los interposadores de silicio son ampliamente adoptados en CoWoS debido a sus procesos de fabricación maduros, compatibilidad de interconexión de tono fino y rendimiento eléctrico.Los interponedores de silicio funcionan bien., proporcionando un enrutamiento preciso de la señal y un soporte mecánico.

Sin embargo, a medida que CoWoS se escala para aplicaciones de alta potencia, las limitaciones se hacen evidentes:

• Los puntos de acceso localizados reducen el rendimiento y la confiabilidad.

• El desajuste de la expansión térmica entre el interponedor de silicio y las matrices de alta potencia puede inducir estrés y deformación.

• Las limitaciones de espesor limitan la capacidad del interponedor para disipar el calor de manera efectiva.

Estos desafíos ilustran por qué los materiales alternativos o complementarios, comoSubstrato de SiC, son necesarias para mantener el rendimiento y la fiabilidad en los sistemas CoWoS de próxima generación.

Ampliar la gama de materiales térmicos

Para satisfacer las demandas térmicas de los envases CoWoS de alta densidad se requiere ir más allá del silicio.

1. Distribuidores de calor avanzados: Los compuestos de cobre o cobre-molibdeno pueden reducir la resistencia térmica local, pero a menudo introducen desajustes mecánicos.

2. Materiales de interfaz térmica de alto rendimiento: Reduce la resistencia al contacto, pero no puede superar los límites fundamentales del material.

3. Cerámica y materiales de banda anchaMateriales como:Substrato de SiCCombinan una alta conductividad térmica con resistencia mecánica y estabilidad química, lo que los hace ideales para aplicaciones CoWoS de alta potencia y alta densidad.

Al integrar estratégicamente estos materiales,se hace posible crear un paquete CoWoS donde cada capa tenga un papel claramente definido en la gestión térmica en lugar de depender únicamente de la refrigeración externa.

Substrato de carburo de silicio: funciones funcionales en CoWoS

El sustrato de SiC ofrece varias ventajas sobre el silicio convencional para la gestión térmica en paquetes CoWoS:

• Alta conductividad térmica: facilita la propagación lateral y vertical del calor, minimizando los puntos calientes.

• Bajo coeficiente de expansión térmica (CTE): Reduce el esfuerzo mecánico durante el ciclo térmico.

• Robustez mecánica: mantiene la estabilidad dimensional en obleas finas y de gran superficie.

• Estabilidad química: Compatible con el procesamiento a altas temperaturas y el funcionamiento a largo plazo.

En aplicaciones prácticas, el sustrato de SiC puede cumplir múltiples funciones:

• Como interponedor de alto rendimiento, sustituyendo o complementando las capas de silicio.

• Como una capa integrada de propagación de calor debajo de las matrices de alta potencia.

• Como una capa estructural para estabilizar el paquete y evitar la deformación bajo tensión térmica.

Estos roles permiten que el interponedor y el sustrato funcionen como unplataforma térmica y mecánica, no sólo como una capa de interconexión eléctrica.

Implicaciones de los materiales térmicos a nivel del sistema

Los materiales de gestión térmica influyen más que en la disipación del calor, determinan la arquitectura global del sistema.Substrato de SiCo materiales avanzados similares, los diseñadores pueden lograr:

• Un rendimiento sostenido superior bajo operación continua de alta potencia.

• Reducción de los gradientes térmicos, mejora de la fiabilidad y reduce las tasas de fallas.

• Los módulos multi-chip más compactos y la integración heterogénea permiten diseños innovadores en aceleradores de IA y computación de alto rendimiento.

En otras palabras, los materiales térmicos ahora actúan como facilitadores en lugar de restricciones.el rendimiento de todo el sistema.

Consideraciones de fabricación para el sustrato de SiC en CoWoS

Si bien el sustrato de SiC ofrece ventajas significativas, su integración en los paquetes CoWoS requiere una consideración cuidadosa:

• El adelgazamiento de las obleas: SiC es más duro que el silicio, lo que dificulta el adelgazamiento de precisión.

• A través de la formación: Las vías a través de SiC requieren métodos avanzados de grabado o asistidos por láser.

• Metalización: Para lograr una adhesión metálica fuerte y fiable en SiC se requieren capas de barrera y adhesión adaptadas al funcionamiento a altas temperaturas.

• Control de defectos: Las obleas de SiC de gran área para CoWoS de 12 pulgadas deben mantener la uniformidad y una baja densidad de defectos para garantizar el rendimiento.

Las soluciones en control de procesos, inspección y manejo de materiales permiten el uso de sustrato de SiC en aplicaciones CoWoS de alto rendimiento.

Hacia arquitecturas CoWoS centradas en el material

La evolución de CoWoS sugiere que los envases avanzados serán cada vez másmotorizados por materialesLa conectividad eléctrica sigue siendo importante, pero las propiedades térmicas y mecánicas juegan ahora un papel igualmente crítico.Substrato de SiCLos paquetes CoWoS pueden soportar densidades de potencia más altas, reducir el riesgo de fallas térmicas y permitir arquitecturas de integración heterogéneas complejas.

Este cambio también pone de relieve una tendencia más amplia en el embalaje de semiconductores: la ciencia de los materiales, la ingeniería mecánica y el diseño a nivel de sistema están convergiendo.Los futuros paquetes CoWoS se definirán tanto por la elección de materiales térmicos como por el tono de interconexión o el tamaño de la matriz.

Conclusión

Los materiales de gestión térmica CoWoS ya no son periféricos, sino que definen el ámbito de funcionamiento de los sistemas modernos de alto rendimiento.y materiales innovadores comoSubstrato de SiCProporcionar nuevas vías de propagación del calor, estabilidad mecánica y fiabilidad a largo plazo.

Al dar prioridad a la innovación e integración a nivel de materiales, los diseñadores de CoWoS pueden desbloquear un mayor rendimiento, arquitecturas más densas y un funcionamiento robusto en entornos exigentes.A medida que las densidades de energía continúan aumentando, el sustrato de SiC se convertirá en un factor clave para la tecnología CoWoS de próxima generación, cerrando la brecha entre la ciencia de los materiales y el rendimiento a nivel del sistema.