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Die wachsende Bedeutung der thermischen Bewirtschaftung

CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate) -Verpackungen sind zu einem dominierenden Ansatz für Hochleistungsrechner, KI-Beschleuniger und Hochbandbreiten-Speichermodule geworden.Der Schwerpunkt liegt häufig auf der Dichte der VernetzungEine der wichtigsten Faktoren, die letztlich die Leistung einschränken, ist jedoch das thermische Management.

Da die Leistungsdichte weiter steigt, sind traditionelle Kühllösungen wie Kühlkörper, Lüfter oder Flüssigkeitskühlung nicht mehr ausreichend.und Wärmeverbreiter spielen eine immer wichtigere RolleUnter den neu entstehenden Materialien haben Kohlenstofflösungen und Breitband-Halbleiter Aufmerksamkeit erregt.SiC-Substrat(Substrat aus Siliziumcarbid)mit einem einzigartigen Potenzial aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit, mechanischen Robustheit und thermischen Stabilität.

Der thermische Weg der CoWoS: Die Herausforderung verstehen

Ein CoWoS-Paket besteht aus mehreren Schichten, durch die die Wärme wandern muss.und erreicht schließlich das externe KühlsystemJede Schicht führt thermischen Widerstand ein, der zu Hotspots führen kann, wenn sie nicht ordnungsgemäß verwaltet werden.

Bei herkömmlichen auf Silizium basierenden CoWoS leitet der Zwischenspeicher die Wärme moderat gut, aber Dicke und Materialbeschränkungen beschränken seine Wirksamkeit.Anstieg der HotspotsIn solchen Bedingungen können Materialien wieSiC-Substratkann die seitliche Wärmeverbreitung verbessern und das Risiko einer thermisch verursachten Verformung verringern, wodurch eine kritische Lücke im thermischen Management auf Systemebene geschlossen wird.

Silizium-Interposer: Stärken und Grenzen

Silizium-Interposatoren werden in CoWoS aufgrund ihrer ausgereiften Herstellungsprozesse, Feinpitch-Interkonnektionskompatibilität und elektrischer Leistung weit verbreitet.Silizium-Interposer funktionieren gut., die eine präzise Signalvermittlung und mechanische Unterstützung bieten.

Da CoWoS jedoch auf Hochleistungsanwendungen skaliert, werden Einschränkungen offensichtlich:

• Lokalisierte Hotspots reduzieren Leistung und Zuverlässigkeit.

• Die thermische Ausdehnung zwischen Silizium-Interposer und Hochleistungsmaschinen kann zu Belastungen und Verzerrungen führen.

• Die Dickenbeschränkungen beschränken die Fähigkeit des Zwischenspeichers, die Wärme wirksam abzuleiten.

Diese Herausforderungen verdeutlichen, warum alternative oder ergänzende Materialien, wieSiC-Substrat, sind notwendig, um Leistung und Zuverlässigkeit in CoWoS-Systemen der nächsten Generation zu erhalten.

Erweiterung der Palette der thermischen Materialien

Um den thermischen Anforderungen von CoWoS-Verpackungen mit hoher Dichte gerecht zu werden, müssen die Materialieningenieure nun mehrere Ansätze anwenden:

1. Erweiterte Wärmeverbreiter: Kupfer- oder Kupfer-Molybdän-Verbundwerkstoffe können den lokalen Wärmewiderstand verringern, führen jedoch häufig zu mechanischen Fehlanpassungen.

2. Hochleistungsmaterial für thermische Schnittstellen (TIM): Reduziert den Kontaktwiderstand, kann aber grundlegende Materialgrenzen nicht überwinden.

3. Keramik und Breitbandmaterialien: Materialien wieSiC-SubstratSie kombinieren hohe Wärmeleitfähigkeit mit mechanischer Festigkeit und chemischer Stabilität und eignen sich somit ideal für CoWoS-Anwendungen mit hoher Leistung und hoher Dichte.

Durch die strategische Integration dieser MaterialienEs wird möglich, ein CoWoS-Paket zu erstellen, in dem jede Schicht eine klar definierte Rolle im thermischen Management spielt, anstatt sich ausschließlich auf externe Kühlung zu verlassen..

Siliziumkarbid Substrat: Funktionale Rollen in CoWoS

SiC-Substrat bietet für die thermische Bewirtschaftung in CoWoS-Verpackungen mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichem Silizium:

• Hohe Wärmeleitung: Erleichtert die seitliche und vertikale Wärmeverbreitung und minimiert Hitzepunkte.

• Niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE): Verringert die mechanische Belastung während des Wärmezyklus.

• Mechanische Robustheit: Erhält die Dimensionsstabilität in dünnen und großflächigen Wafern.

• Chemische Stabilität: Kompatibel mit aggressiver Hochtemperaturverarbeitung und langfristigem Betrieb.

In der Praxis kann SiC-Substrat mehrere Funktionen erfüllen:

• Als hochleistungsfähiger Zwischenspeicher, der Siliziumschichten ersetzt oder ergänzt.

• Als eingebettete Wärmeverbreitungsschicht unter Hochleistungsstollen.

• Als Strukturschicht zur Stabilisierung des Pakets und zur Verhinderung von Verformungen unter thermischer Belastung.

Diese Rollen ermöglichen es dem Zwischenspeicher und dem Substrat, als ein einheitlichesthermische und mechanische Plattform, nicht nur als elektrische Verbindungsschicht.

Auswirkungen von thermischen Materialien auf Systemebene

Wärmeverwaltungsmaterialien beeinflussen mehr als nur die Wärmeabgabe, sie bestimmen die Gesamtarchitektur des Systems.SiC-Substratoder ähnliche fortschrittliche Materialien, können Konstrukteure erreichen:

• Höhere anhaltende Leistung bei kontinuierlichem Hochleistungsbetrieb.

• Reduzierte thermische Gradienten, Verbesserung der Zuverlässigkeit und Verringerung der Ausfallraten.

• Kompaktere Multi-Chip-Module und heterogene Integration ermöglichen innovative Konstruktionen in KI-Beschleunigern und Hochleistungsrechnen.

Mit anderen Worten, thermische Materialien fungieren jetzt eher als Förderer als als als Einschränkungen.die Leistung des gesamten Systems.

Herstellungsbedarf für SiC-Substrat in CoWoS

Während SiC-Substrat erhebliche Vorteile bietet, erfordert seine Integration in CoWoS-Pakete eine sorgfältige Überlegung:

• Waferverdünnen: SiC ist härter als Silizium, was das Präzisionsverdünnen schwierig macht.

• Über die Bildung: Durch SiC-Via erfordern fortgeschrittene Radierungs- oder lasergestützte Verfahren.

• Metallisierung: Um eine starke und zuverlässige Metalladhäsion auf SiC zu erreichen, sind Barriere- und Adhäsionsschichten erforderlich, die auf den Betrieb bei hohen Temperaturen zugeschnitten sind.

• Fehlerkontrolle: SiC-Wafer mit großer Fläche für 12-Zoll-CoWoS müssen einheitlich und mit geringer Defektdichte sein, um den Ertrag zu gewährleisten.

Diese Herausforderungen sind nicht unbedeutend, aber überwindbar. Lösungen in der Prozesskontrolle, Inspektion und Materialbearbeitung ermöglichen die Verwendung von SiC-Substraten in Hochleistungs-CoWoS-Anwendungen.

Zur Entwicklung von materialzentrierten CoWoS-Architekturen

Die Entwicklung von CoWoS deutet darauf hin, dass fortschrittliche Verpackungen zunehmendMaterialgetriebenDie elektrische Anbindung ist nach wie vor wichtig, aber die thermischen und mechanischen Eigenschaften spielen jetzt eine ebenso wichtige Rolle.SiC-Substrat, CoWoS-Pakete können höhere Leistungsdichten unterstützen, das Risiko von thermischen Ausfällen reduzieren und komplexe heterogene Integrationsarchitekturen ermöglichen.

Diese Verschiebung unterstreicht auch einen breiteren Trend bei der Verpackung von Halbleitern: Materialwissenschaft, Maschinenbau und Design auf Systemebene konvergieren.Die künftigen CoWoS-Pakete werden sowohl durch die Wahl der thermischen Materialien als auch durch die Größe der Verbindungsspitze oder der Matrize definiert..

Schlussfolgerung

CoWoS-Wärmemanagementmaterialien sind nicht länger peripher, sondern definieren den Betriebsbereich moderner Hochleistungssysteme.und innovative Materialien wieSiC-Substratneue Wege für die Wärmeverbreitung, mechanische Stabilität und langfristige Zuverlässigkeit bieten.

Durch die Priorisierung von Innovation und Integration auf Materialebene können CoWoS-Designer höhere Leistung, dichtere Architekturen und robusten Betrieb in anspruchsvollen Umgebungen freischalten.Da die Energiedichte weiter steigt, SiC-Substrat wird zu einem wichtigen Faktor für die CoWoS-Technologie der nächsten Generation werden und die Lücke zwischen Materialwissenschaft und Leistung auf Systemebene schließen.