Bloggegevens

Het groeiende belang van thermisch beheer

CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate) verpakking is een dominante aanpak geworden voor high-performance computing, AI-accelerators en geheugenmodules met hoge bandbreedte. De focus ligt vaak op interconnectdichtheid, chiplet-integratie of logische-knoopschaling. Een van de meest kritieke factoren die de prestaties uiteindelijk beperkt, is echter thermisch beheer.

Nu de vermogensdichtheid blijft toenemen, zijn traditionele koeloplossingen zoals koelplaten, ventilatoren of vloeistofkoeling niet langer voldoende. De materialen die in de verpakking worden gebruikt—interposers, substraten en warmtespreiders—spelen een steeds centralere rol. Onder de opkomende materialen hebben oplossingen op basis van koolstof en wide-bandgap-halfgeleiders de aandacht getrokken, met SiC-substraat (siliciumcarbide-substraat) dat unieke potentie toont vanwege zijn hoge thermische geleidbaarheid, mechanische robuustheid en thermische stabiliteit.

Het CoWoS Thermische Pad: De Uitdaging Begrijpen

Een CoWoS-pakket bestaat uit meerdere lagen waardoor warmte moet reizen. Warmte die wordt gegenereerd door actieve dies verspreidt zich eerst zijwaarts door de interposer, beweegt vervolgens verticaal door het substraat en bereikt uiteindelijk het externe koelsysteem. Elke laag introduceert thermische weerstand, wat kan leiden tot hotspots als deze niet goed worden beheerd.

In traditionele op silicium gebaseerde CoWoS geleidt de interposer warmte redelijk goed, maar dikte- en materiaallimieten beperken de effectiviteit ervan. Naarmate chiplet-architecturen dichter worden, nemen hotspots toe en kunnen thermische gradiënten mechanische spanning veroorzaken. In dergelijke omstandigheden kunnen materialen zoals SiC-substraat de zijdelingse warmtespreiding verbeteren en het risico op thermisch geïnduceerde vervorming verminderen, waardoor een kritieke kloof in thermisch beheer op systeemniveau wordt overbrugd.

Silicium Interposers: Sterke punten en beperkingen

Silicium interposers worden veel gebruikt in CoWoS vanwege hun volwassen fabricageprocessen, compatibiliteit met fijne pitch-interconnects en elektrische prestaties. Voor toepassingen met een laag tot matig vermogen werken silicium interposers goed en bieden ze nauwkeurige signaalrouting en mechanische ondersteuning.

Naarmate CoWoS echter opschaalt naar high-power-toepassingen, worden beperkingen duidelijk:

• Gelokaliseerde hotspots verminderen de prestaties en betrouwbaarheid.

• Thermische uitzettingsmismatch tussen silicium interposer en high-power dies kan spanning en kromtrekken veroorzaken.

• Diktebeperkingen beperken het vermogen van de interposer om warmte effectief af te voeren.

Deze uitdagingen illustreren waarom alternatieve of complementaire materialen, zoals SiC-substraat, nodig zijn om de prestaties en betrouwbaarheid in CoWoS-systemen van de volgende generatie te behouden.

Het uitbreiden van het thermische materialenpalet

Om te voldoen aan de thermische eisen van high-density CoWoS-verpakkingen, is het nodig om verder te gaan dan silicium. Materialen-ingenieurs richten zich nu op verschillende benaderingen:

1. Geavanceerde warmtespreiders: Koper of koper-molybdeencomposieten kunnen de lokale thermische weerstand verminderen, maar ze introduceren vaak mechanische mismatch.

2. High-Performance Thermal Interface Materials (TIM's): Verminderen de contactweerstand, maar kunnen de fundamentele materiaallimieten niet overwinnen.

3. Keramiek en Wide-Bandgap-materialen: Materialen zoals SiC-substraat combineren een hoge thermische geleidbaarheid met mechanische sterkte en chemische stabiliteit, waardoor ze ideaal zijn voor high-power, high-density CoWoS-toepassingen.

Door deze materialen strategisch te integreren, wordt het mogelijk om een CoWoS-pakket te creëren waarbij elke laag een duidelijk gedefinieerde rol heeft in thermisch beheer in plaats van alleen te vertrouwen op externe koeling.

Siliciumcarbide-substraat: Functionele rollen in CoWoS

SiC-substraat biedt verschillende voordelen ten opzichte van conventioneel silicium voor thermisch beheer in CoWoS-pakketten:

• Hoge thermische geleidbaarheid: Vergemakkelijkt zijdelingse en verticale warmtespreiding, waardoor hotspots worden geminimaliseerd.

• Lage thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE): Vermindert mechanische spanning tijdens thermische cycli.

• Mechanische robuustheid: Behoudt dimensionale stabiliteit in dunne en grote wafers.

• Chemische stabiliteit: Compatibel met agressieve processen bij hoge temperaturen en langdurige werking.

In praktische toepassingen kan SiC-substraat meerdere rollen vervullen:

• Als een high-performance interposer, ter vervanging of aanvulling van siliciumlagen.

• Als een ingebedde warmtespreidingslaag onder high-power dies.

• Als een structurele laag om het pakket te stabiliseren en kromtrekken onder thermische spanning te voorkomen.

Deze rollen stellen de interposer en het substraat in staat om te functioneren als een verenigd thermisch en mechanisch platform, niet alleen als een elektrische interconnectlaag.

Implicaties op systeemniveau van thermische materialen

Thermische beheermaterialen beïnvloeden meer dan alleen warmteafvoer—ze bepalen de algehele systeemarchitectuur. Door SiC-substraat of vergelijkbare geavanceerde materialen te integreren, kunnen ontwerpers het volgende bereiken:

• Hogere aanhoudende prestaties bij continu gebruik met hoog vermogen.

• Verminderde thermische gradiënten, waardoor de betrouwbaarheid wordt verbeterd en het aantal storingen wordt verminderd.

• Compactere multi-chip modules en heterogene integratie, waardoor innovatieve ontwerpen in AI-accelerators en high-performance computing mogelijk worden gemaakt.

Met andere woorden, thermische materialen fungeren nu als enablers in plaats van beperkingen. Beslissingen die op de materiaallaag worden genomen, beïnvloeden de pakketindeling, de plaatsing van chiplets en uiteindelijk de prestaties van het hele systeem.

Productieoverwegingen voor SiC-substraat in CoWoS

Hoewel SiC-substraat aanzienlijke voordelen biedt, vereist de integratie ervan in CoWoS-pakketten zorgvuldige overweging:

• Waferverdunning: SiC is harder dan silicium, waardoor precisieverdunning een uitdaging is.

• Via-vorming: Door-SiC-vias vereisen geavanceerde ets- of laserondersteunde methoden.

• Metallisatie: Het bereiken van sterke, betrouwbare metaalhechting op SiC vereist barrière- en adhesielagen die zijn afgestemd op werking bij hoge temperaturen.

• Defectcontrole: Grote SiC-wafers voor 12-inch CoWoS moeten uniformiteit en een lage defectdichtheid behouden om de opbrengst te garanderen.

Deze uitdagingen zijn niet triviaal, maar wel te overwinnen. Oplossingen in procescontrole, inspectie en materiaalbehandeling maken het gebruik van SiC-substraat in high-performance CoWoS-toepassingen mogelijk.

Naar materiaalgerichte CoWoS-architecturen

De evolutie van CoWoS suggereert dat geavanceerde verpakkingen in toenemende mate materiaalgestuurd zullen zijn. Elektrische connectiviteit blijft belangrijk, maar thermische en mechanische eigenschappen spelen nu een even cruciale rol. Door SiC-substraat te integreren, kunnen CoWoS-pakketten hogere vermogensdichtheden ondersteunen, het risico op thermische storingen verminderen en complexe heterogene integratiearchitecturen mogelijk maken.

Deze verschuiving benadrukt ook een bredere trend in halfgeleiderverpakkingen: materiaalkunde, werktuigbouwkunde en systeemontwerp convergeren. Toekomstige CoWoS-pakketten zullen net zozeer worden gedefinieerd door de keuze van thermische materialen als door de interconnect pitch of de grootte van de die.

Conclusie

CoWoS thermische beheermaterialen zijn niet langer perifeer—ze definiëren de operationele envelop van moderne high-performance systemen. Traditionele siliciumlagen bereiken hun thermische grenzen en innovatieve materialen zoals SiC-substraat bieden nieuwe mogelijkheden voor warmtespreiding, mechanische stabiliteit en langdurige betrouwbaarheid.

Door prioriteit te geven aan innovatie en integratie op materiaalniveau, kunnen CoWoS-ontwerpers hogere prestaties, dichtere architecturen en robuuste werking in veeleisende omgevingen ontsluiten. Naarmate de vermogensdichtheid blijft toenemen, zal SiC-substraat een belangrijke enabler worden van de CoWoS-technologie van de volgende generatie, die de kloof overbrugt tussen materiaalkunde en prestaties op systeemniveau.