حل لتبديد الحرارة للرقائق المعبأة ثلاثية الأبعاد

مع انتقال الصناعة إلى التغليف ثلاثي الأبعاد واستمرارها في توسيع نطاق المنطق الرقمي، فإن التحديات الحرارية المتزايدة تدفع حدود البحث والتطوير. يمكن للحرارة الزائدة في مساحة صغيرة أن تسبب مشاكل حقيقية، مثل أن تكون المنتجات ساخنة جدًا بحيث لا يمكن حملها. تحتاج ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية (DRAM) المحمومة إلى التحديث باستمرار بسبب فقدان الطاقة والموثوقية، مما يجعل الشريحة أكثر إجهادًا في الصناعات ذات درجات الحرارة العالية مثل السيارات.

في الظروف المثالية، ستكون الشريحة مصنوعة من النحاس وتكون الركيزة 100% من النحاس. وحتى لو كان ذلك ممكنًا، فلن تحصل الشريحة على المزيد من الأداء بسبب بعض العوامل المقيدة الأخرى في الحزمة.

أصبحت المخاوف الحرارية بمثابة قرار مبكر للتصميم والتعبئة في حزم 2.5D و3D. يعد تبديد الحرارة إحدى المشكلات الرئيسية التي يجب أخذها في الاعتبار، سواء من حيث الذاكرة أو المنطق في المكدس المنطقي.

وفي البحث عن الحلول، ظهرت الموائع الدقيقة ومواد الواجهة الحرارية (TIMs) كمجالات رئيسية للتطوير. لتبديد الحرارة، يمكن توصيل مبرد سائل مباشرة بالرقاقة، أو يمكن بناء قنوات داخل الشريحة نفسها. على الجانب TIM، يتم استخدام الايبوكسي الفضي الملبد.

قد تنتقل ميكروفلويديك قريبًا إلى الإنتاج. سوف تبدأ في الظهور في أماكن غريبة للغاية، خاصة إذا بدأت في تنفيذ منطق عالي الأداء. إذا لم يتم اتخاذ أي تدابير تبريد، فسيقتصر منطق المكدس على تبديد الحرارة لشريحة واحدة. وهناك قوة دافعة اقتصادية ضخمة لمعالجة هذه القضايا.

على مدار الأربعين عامًا الماضية، كانت الموائع الدقيقة التجارية في متناول اليد. تم وصف فكرة تضمين السوائل في قنوات ميكروية/نانوية الحجم لتبريد أشباه الموصلات لأول مرة في ورقة بحثية أصبحت الآن كلاسيكية. تمت تجربة العديد من المتغيرات منذ عام 1981، والآن تظهر بعض المشاريع وعدًا حقيقيًا وعمليًا بالتبريد. من وجهة نظر حرارية، يعد هذا حل تبريد مثير للاهتمام للغاية، حيث يمكن وضع المبرد في أقرب وقت ممكن من مصدر الحرارة، ويتم إزالة العديد من الحواجز الحرارية في هذا التكوين. تعمل النسخة العاملة من هدف الموائع الدقيقة على دمج القنوات مباشرة في الشريحة، بدلاً من الاعتماد على TIMs أو الترابط. وقد أدى هذا الأخير إلى زعزعة استقرار السوق التجارية بسبب مشاكل الموثوقية. هذا هو المعطل حل تبريد يتطلب تصميمًا مشتركًا محكمًا بين هياكل قنوات السوائل والإلكترونيات لتحقيق الإمكانات الكاملة لطريقة التبريد هذه. إنه مثالي للتطبيقات الصعبة ذات كثافات الطاقة العالية للغاية. بالنسبة لتطبيقات CMOS ذات كثافة طاقة تصل إلى 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 الأولية. أحدهما عبارة عن مبرد ذو قنوات دقيقة من السيليكون، والتطور الرئيسي هو الارتباط بالرقاقة ذات المقاومة الحرارية المنخفضة. والآخر هو التبريد السائل المباشر على الشريحة باستخدام هندسة التبريد المطبوعة ثلاثية الأبعاد المعقدة.

يتم ربط المبرد بالرقاقة باستخدام معرفة ربط الرقاقة بالرقاقة مع مقاومة حرارية منخفضة جدًا تقل عن 1 مم 2 -K/W. استخدم روابط الاندماج أو روابط الأكسيد أو الروابط المعدنية بدلاً من مواد الواجهة الحرارية. الميزة الرئيسية لمعالجة أشباه الموصلات هي أنه يمكن عمل خطوط دقيقة جدًا لتحمل شديد.

غالبًا ما تكون هناك حاجة إلى حلقة تقوية للتعويض عن عدم وجود غطاء للسلامة الميكانيكية للعبوة. إذا كانت الممرات صغيرة جدًا، فسيكون انخفاض الضغط الذي يدفع سائل التبريد خلاله مرتفعًا جدًا. وحجم السائل محدود. الأسباب الرئيسية لبطء الاعتماد هي مشكلات الموثوقية (التسرب)، ومتطلبات الصيانة، وتعقيد النظام. الضغط العالي هو عيب محتمل، لكنه ليس عائقا.

قسّم طرق التبريد السائلة التجارية إلى أربعة أنواع متميزة.

مبردات مثبتة بمسامير، التكنولوجيا الأكثر تقدمًا المتوفرة في مراكز البيانات. ال توجد لوحة التبريد أعلى الغطاء بدلاً من المبرد. يتم استخدام 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 فقط في الدراسات ويسمح للمبرد بأن يكون أقرب إلى مصدر الحرارة. بدلاً من الترابط، يستخدم سائل عازل يكون على اتصال مباشر بالرقاقة. هناك اتصال عمودي بين السائل والرقاقة. ولذلك، يتم تجنب مشاكل التدرج الحراري للتصاميم الجانبية.

يتضمن التبريد على الشريحة 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 طبقة الصوت المنخفضة.

بالإضافة إلى ذلك، نموذج أولي لحزمة مبردة داخليًا، تم إنشاؤها باستخدام تقنية ثلاثية الأبعاد ومصنوعة من سيراميك الألومينا. إنها تستخدم تقنية الأغشية السميكة للتعدين العلوي وسيتم توصيل العديد من SiC FETs بها. أكسيد الألومنيوم هو بالفعل أكسيد، والنحاس يتأكسد بسهولة، وبالتالي فإن الجمع بين هذين الأكسيدين هو كيفية تشكيل هذه الواجهة. وتعد هذه حاليًا أرخص طريقة لتصنيع وحدات الطاقة من السيراميك، مما يقلل التكاليف. تشبه الركيزة المعدنية المعزولة (IMS) بشكل أساسي 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 أونصة من النحاس، فهو أقرب إلى 3 أو 4 أونصات. وهذا شيء أكثر فعالية من حيث التكلفة من الألومينا بنفس البصمة.

على الرغم من أن أبعاد النموذج الأولي أكثر سمكًا من الركائز النموذجية، إلا أن ما يجعل هذا الهيكل المستطيل مميزًا هو أنه يحتوي على قنوات تمر عبره، مع فتحات خروج على جوانبه الأقصر. عند تشغيلها حتى دورة التشغيل الكاملة، تبدد الوحدة الكثير من الحرارة. كيف تتخلص من الحرارة؟ يتم إرسال سائل التبريد عبر القناة، مثل الهواء البارد، أو مبرد النيتروجين، أو بعض المواد الباردة الأخرى. أثناء تشغيل المبرد، فإنه يبرد.

يستخدم كل من المبرد المثبت بمسامير ومبرد الارتباط 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، وحشوات الفجوات، ومواد الأجهزة العازلة، ومواد تغيير الطور، والإيبوكسيات الموصلة حرارياً مثل أكسيد الألومنيوم، ونيتريد الألومنيوم، وأكسيد البريليوم.

ومع ذلك، فقد تبين أن العديد من TIMs ليست فعالة كما يوحي استخدامها على نطاق واسع. مع زيادة أداء التبريد السائل، تصبح مواد الواجهة الحرارية بمثابة عنق الزجاجة الحراري المهم. لدى متخصصي تكامل الأنظمة 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 اتباع طوبولوجيا المكونات المختلفة.

بشكل عام، معظم المواد ذات التوصيل الكهربائي الجيد تكون أيضًا قاسية جدًا، لذلك لن تتكيف فحسب، بل ستضيف ضغطًا. لا توجد مادة واحدة تمتلك هذه الخصائص، لذلك كان لا بد من هندسة المادة عن طريق تصنيع المواد المركبة. يمكن الآن إضافة جزيئات موصلة حرارياً إلى الداخل لتحسين التوصيل الحراري. يمكن أن تكون هناك مواد مركبة. وقد يكون هناك أيضًا أنابيب نانوية كربونية أو صفائح جرافين. لقد كان هناك الكثير من التقدم في هذا المجال بالذات.

ونظراً للحاجة الملحة إلى مواد جديدة، فيتعين علينا أن نحترم أهمية التقدم في علوم المواد لحل المشاكل 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 قبل بضع سنوات قد اختفت.

لتبديد الطاقة في عبوات الرقاقة، تظهر إيبوكسيات الفضة الملبدة أداءً حراريًا أفضل، لذلك يستخدم الناس إيبوكسيات غير مضغوطة (مثل أتروكس) أو إيبوكسيات ملبدة بالضغط (أرجوماكس). في أسلوب الشريحة القلابة، يكون المشتت الحراري عبارة عن تصميم نحاسي مطلي بالنيكل يتصل بالجزء الخلفي من الشريحة مع مادة الواجهة الحرارية (TIM) الموجودة في الواجهة. تستخدم الابتكارات الأخرى أسلاكًا متعددة في الجزء الخلفي من الشريحة، والتي يتم توصيلها بعد ذلك بالمستوى الأرضي لثنائي الفينيل متعدد الكلور لتحسين تبديد الحرارة. لا يزال النحاس أفضل واجهة حرارية وهو فعال للغاية من حيث التكلفة.

يعد هذا أحد الدوافع للعمل في مجال علم الموائع الدقيقة إذا كانت هناك طريقة من شأنها أن تلغي تمامًا الحاجة إلى TIM. يمكن لحلول التبريد البديلة تجنب استخدام مواد الواجهة. الاقتراب من الشريحة يزيل هذه المواد. إما تحسين المواد، أو التخلص منها.

ونتيجة لهذه التحديات، فإن معالجة قضايا الحرارة تتصدر بشكل متزايد قائمة أولويات الميزانية. غالبًا ما يندهش العملاء من اضطرارهم إلى إنفاق الكثير من ميزانيتهم ​​على الطاقة الحرارية. كل شيء يأتي مع الكثير من التعقيد. تعامل مع شيء جديد ولا تعتمده عادةً حتى تثبت فعاليته ويتم حل جميع مشكلات المسؤولية. لقد أصبح العديد من العملاء على دراية بهذا الأمر وبدأوا في إنتاج منتجات ذات هندسة ومهارة وخبرة أكثر تقدمًا.