চিপ প্যাকেজিংয়ের তাপীয় সমস্যাগুলি কীভাবে সমাধান করবেন

  লজিক চিপগুলি তাপ উৎপন্ন করে এবং যুক্তির ঘনত্ব এবং প্রক্রিয়াকরণ উপাদানগুলির ব্যবহার যত বেশি হবে, তাপ তত বেশি হবে। ...
ইঞ্জিনিয়াররা জটিল মডিউলগুলি থেকে দক্ষতার সাথে তাপ নষ্ট করার উপায় খুঁজছেন।

একই প্যাকেজে পাশাপাশি একাধিক চিপ রাখা তাপ সংক্রান্ত সমস্যাগুলিকে উপশম করতে পারে, কিন্তু কোম্পানিগুলি কর্মক্ষমতা বাড়াতে এবং শক্তি কমাতে চিপ স্ট্যাকিং এবং ঘন প্যাকেজিংয়ে আরও গভীরভাবে প্রবেশ করে, তারা তাপ-সম্পর্কিত সমস্যাগুলির একটি নতুন সেটের সাথে লড়াই করছে৷

উন্নত প্যাকেজিং চিপগুলি শুধুমাত্র উচ্চ-কর্মক্ষমতা কম্পিউটিং, কৃত্রিম বুদ্ধিমত্তা, শক্তি ঘনত্ব বৃদ্ধি ইত্যাদির চাহিদা মেটাতে পারে না, তবে উন্নত প্যাকেজিংয়ের তাপ অপচয়ের সমস্যাগুলিও জটিল হয়ে উঠেছে। কারণ এক চিপে হট স্পট পার্শ্ববর্তী চিপগুলির তাপ বিতরণকে প্রভাবিত করবে। চিপগুলির মধ্যে আন্তঃসংযোগের গতিও SoC-এর তুলনায় মডিউলগুলিতে ধীর।

"বিশ্ব মাল্টি-কোরের মতো জিনিসগুলিতে আসার আগে, আপনি এমন একটি চিপ নিয়ে কাজ করছিলেন যার সর্বোচ্চ শক্তি ছিল প্রায় 150 ওয়াট প্রতি বর্গ সেন্টিমিটার, যা ছিল একক পয়েন্ট তাপের উত্স," জন প্যারি, ইলেকট্রনিক্স এবং সেমিকন্ডাক্টর প্রধান বলেছেন সিমেন্স ডিজিটাল ইন্ডাস্ট্রিজ সফটওয়্যার। আপনি তিনটি দিক থেকে তাপ নষ্ট করতে পারেন, তাই আপনি কিছু চমত্কার উচ্চ শক্তি ঘনত্ব অর্জন করতে পারেন। কিন্তু যখন আপনার কাছে একটি চিপ থাকে এবং এটির পাশে আরেকটি চিপ রাখেন এবং তারপরে এটির পাশে আরেকটি চিপ রাখেন, তখন তারা "এরা একে অপরকে গরম করে। এর মানে আপনি প্রতিটি চিপের জন্য একই শক্তির স্তর সহ্য করতে পারবেন না, যা তাপীয় করে তোলে। চ্যালেঞ্জ অনেক বেশি কঠিন।"

এটি বাজারে 3D-IC স্ট্যাকিংয়ের ধীর অগ্রগতির একটি প্রধান কারণ। যদিও ধারণাটি শক্তি দক্ষতা এবং একীকরণের দৃষ্টিকোণ থেকে বোঝা যায় - এবং 3D NAND এবং HBM-এ ভাল কাজ করে - যুক্তি অন্তর্ভুক্ত করা হলে এটি একটি ভিন্ন গল্প। লজিক চিপগুলি তাপ উৎপন্ন করে, এবং লজিক যত ঘন হয় এবং প্রক্রিয়াকরণ উপাদানগুলির ব্যবহার যত বেশি হয়, তত বেশি তাপ৷ এটি লজিক স্ট্যাকিংকে বিরল করে তোলে, যা 2.5D ফ্লিপ-চিপ BGA এবং ফ্যান-আউট ডিজাইনের জনপ্রিয়তা ব্যাখ্যা করে৷

 

 

01 সঠিক প্যাকেজ চয়ন করুন

চিপ ডিজাইনারদের জন্য, অনেক প্যাকেজিং বিকল্প আছে। কিন্তু চিপ ইন্টিগ্রেশনের কর্মক্ষমতা অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ। সিলিকন, টিএসভি, তামার স্তম্ভ ইত্যাদির মতো উপাদানগুলিরই বিভিন্ন তাপীয় সহগ সম্প্রসারণ (TCE), যা সমাবেশের ফলন এবং দীর্ঘমেয়াদী নির্ভরযোগ্যতাকে প্রভাবিত করে।

আপনি যদি উচ্চ ফ্রিকোয়েন্সিতে খুলতে এবং বন্ধ করেন, তাহলে আপনি তাপীয় সাইকেল চালানোর সমস্যায় পড়তে পারেন। মুদ্রিত সার্কিট বোর্ড, সোল্ডার বল এবং সিলিকন সবই প্রসারিত হয় এবং বিভিন্ন হারে সংকুচিত হয়। অতএব, প্যাকেজের কোণে তাপীয় সাইক্লিং ব্যর্থতা দেখা স্বাভাবিক, যেখানে সোল্ডার বলগুলি ফাটতে পারে। তাই কেউ সেখানে একটি অতিরিক্ত গ্রাউন্ড তার বা একটি অতিরিক্ত বিদ্যুৎ সরবরাহ করতে পারে।

CPU এবং HBM সহ বর্তমানে জনপ্রিয় ফ্লিপ-চিপ BGA প্যাকেজের আয়তন প্রায় 2500 বর্গ মিলিমিটার। ওন্টো ইনোভেশনের সফ্টওয়্যার প্রোডাক্ট ম্যানেজমেন্টের পরিচালক মাইক ম্যাকইনটায়ার বলেছেন, "আমরা একটি বড় চিপ সম্ভাব্যভাবে চার বা পাঁচটি ছোট চিপ হতে দেখছি।" "সুতরাং আপনার কাছে সেই চিপগুলিকে একে অপরের সাথে কথা বলার অনুমতি দেওয়ার জন্য আরও I/O থাকতে হবে৷ তাই আপনি তাপ বরাদ্দ করতে পারেন৷

শেষ পর্যন্ত, কুলিং একটি সমস্যা যা সিস্টেম স্তরে মোকাবেলা করা যেতে পারে, এবং এটি ট্রেড-অফের একটি সিরিজের সাথে আসে।

প্রকৃতপক্ষে, কিছু ডিভাইস এত জটিল যে অ্যাপ্লিকেশনের একটি নির্দিষ্ট ক্ষেত্রের জন্য এই ডিভাইসগুলিকে কাস্টমাইজ করার জন্য উপাদানগুলি সহজেই প্রতিস্থাপন করা কঠিন। এই কারণেই অনেক উন্নত প্যাকেজিং পণ্যগুলি খুব উচ্চ-ভলিউম বা মূল্য-ইলাস্টিক উপাদানগুলির জন্য ব্যবহৃত হয়, যেমন সার্ভার চিপস।

02 চিপ মডিউল সিমুলেশন এবং পরীক্ষায় অগ্রগতি

তবুও, প্রকৌশলীরা প্যাকেজ মডিউল তৈরি করার আগে প্যাকেজ নির্ভরযোগ্যতার তাপ বিশ্লেষণ পরিচালনা করার নতুন উপায় খুঁজছেন। উদাহরণস্বরূপ, সিমেন্স একটি ডুয়াল-এএসআইসি-ভিত্তিক মডিউলের একটি উদাহরণ প্রদান করে যা একটি বিজিএ প্যাকেজে একটি মাল্টিলেয়ার অর্গানিক সাবস্ট্রেটে ফ্যান-আউট রিডিস্ট্রিবিউশন লেয়ার (RDL) মাউন্ট করে। এটি দুটি মডেল ব্যবহার করে, একটি RDL-ভিত্তিক WLP এর জন্য এবং অন্যটি মাল্টি-লেয়ার অর্গানিক সাবস্ট্রেটে BGA-এর জন্য। এই প্যাকেজ মডেলগুলি ইডিএ তথ্য প্রবর্তনের আগে সাবস্ট্রেট লেয়ার স্ট্যাক এবং BGA সহ প্যারামেট্রিক, এবং প্রাথমিক উপাদান মূল্যায়ন এবং ডাই প্লেসমেন্ট নির্বাচন সক্ষম করে। এর পরে, EDA ডেটা আমদানি করা হয়েছিল এবং, প্রতিটি মডেলের জন্য, উপাদান মানচিত্রগুলি সমস্ত স্তরে তামার বিতরণের একটি বিশদ তাপীয় বিবরণ প্রদান করে। চূড়ান্ত তাপ অপচয় সিমুলেশন (চিত্র 2 দেখুন) ধাতব ক্যাপ, টিআইএম, এবং আন্ডারফিল উপকরণ ব্যতীত সমস্ত উপকরণ বিবেচনা করা হয়েছে।

 

  জেসিইটি টেকনিক্যাল মার্কেটিং ডিরেক্টর এরিক ওয়্যাং জেসিইটি এবং মেটা ইঞ্জিনিয়ারদের সাথে একচেটিয়া চিপস, মাল্টি-চিপ মডিউল, 2.5ডি ইন্টারপোজার এবং 3ডি স্ট্যাকড চিপগুলির সাথে একটি ASIC এবং দুটি SRAM-এর তাপীয় পারফরম্যান্সের তুলনা করতে যোগ দেন। তুলনা প্রক্রিয়া সার্ভারের পরিবেশ, ভ্যাকুয়াম চেম্বারের সাথে তাপ সিঙ্ক এবং টিআইএম ধ্রুবক রাখে। থার্মাল ওয়াইজ, 2.5D এবং MCM 3D বা মনোলিথিক চিপগুলির চেয়ে ভাল পারফর্ম করে। Ouyang এবং JCET-এর সহকর্মীরা একটি প্রতিরোধক ম্যাট্রিক্স এবং পাওয়ার এনভেলপ ডায়াগ্রাম (চিত্র 3 দেখুন) ডিজাইন করেছেন যা বিভিন্ন চিপের ইনপুট পাওয়ার লেভেল নির্ধারণ করতে এবং সময়-সাপেক্ষ তাপীয় সিমুলেশনের আগে জংশন সেট করতে প্রাথমিক মডিউল ডিজাইনে ব্যবহার করা যেতে পারে। তাপমাত্রা নির্ভরযোগ্যভাবে মিলিত হতে পারে কিনা। চিত্রে দেখানো হিসাবে, একটি নিরাপদ অঞ্চল প্রতিটি চিপের শক্তি পরিসীমা হাইলাইট করে যা নির্ভরযোগ্যতার মান পূরণ করে।

Ouyang ব্যাখ্যা করেছেন যে নকশা প্রক্রিয়া চলাকালীন, সার্কিট ডিজাইনাররা মডিউলে স্থাপিত বিভিন্ন চিপগুলির শক্তির স্তর সম্পর্কে ধারণা থাকতে পারে, তবে সেই শক্তি স্তরগুলি নির্ভরযোগ্যতার সীমার মধ্যে রয়েছে কিনা তা তারা জানেন না। এই চিত্রটি একটি চিপলেট মডিউলে তিনটি চিপ পর্যন্ত নিরাপদ শক্তি এলাকা নির্ধারণ করে। দলটি আরও চিপগুলির জন্য একটি স্বয়ংক্রিয় পাওয়ার ক্যালকুলেটর তৈরি করেছে।

 

03 তাপীয় প্রতিরোধের পরিমাপ করুন

আমরা বুঝতে পারি যে কীভাবে সিলিকন চিপ, সার্কিট বোর্ড, আঠা, টিআইএম বা প্যাকেজ ঢাকনার মাধ্যমে তাপ সঞ্চালিত হয় এবং তাপমাত্রা এবং প্রতিরোধের মানগুলি ট্র্যাক করতে তাপমাত্রার পার্থক্য এবং পাওয়ার ফাংশনের মানক পদ্ধতি ব্যবহার করুন।

"তাপীয় পথটি তিনটি মূল মান দ্বারা পরিমাপ করা হয় - ডিভাইসের জংশন থেকে পরিবেশে তাপীয় প্রতিরোধ, জংশন থেকে কেস [প্যাকেজের উপরে] তাপীয় প্রতিরোধ, এবং জংশন থেকে তাপ প্রতিরোধের সার্কিট বোর্ড," বলেছেন জেসিইটি এর ওয়াং। তাপ প্রতিরোধের। তিনি উল্লেখ করেছেন যে, JCET এর গ্রাহকদের ন্যূনতম θja, θjc, এবং θjb প্রয়োজন, যা তারা সিস্টেম ডিজাইনে ব্যবহার করে। তাদের প্রয়োজন হতে পারে যে একটি প্রদত্ত তাপ প্রতিরোধের একটি নির্দিষ্ট মান অতিক্রম না করে এবং প্যাকেজ ডিজাইনটি সেই কার্যকারিতা প্রদান করে। (বিস্তারিত জানার জন্য JEDEC-এর JESD51-12, প্যাকেজ থার্মাল তথ্য প্রতিবেদন এবং ব্যবহার করার নির্দেশিকা দেখুন)।

 

  থার্মাল সিমুলেশন হল উপকরণ নির্বাচন এবং মেলানো অন্বেষণ করার সবচেয়ে লাভজনক উপায়। কাজের অবস্থায় চিপটিকে অনুকরণ করে, আমরা সাধারণত এক বা একাধিক হট স্পট খুঁজে পাই, তাই আমরা তাপ অপচয়ের সুবিধার্থে গরম দাগের নীচে বেস উপাদানে তামা যুক্ত করতে পারি; অথবা প্যাকেজিং উপাদান পরিবর্তন করুন এবং একটি হিট সিঙ্ক যোগ করুন। সিস্টেম ইন্টিগ্রেটর নির্দিষ্ট করতে পারে যে তাপ প্রতিরোধক θja, θjc, এবং θjb অবশ্যই নির্দিষ্ট মান অতিক্রম করবে না। সাধারণত, সিলিকন জংশন তাপমাত্রা 125 ডিগ্রির নিচে রাখা উচিত।

সিমুলেশন সম্পন্ন হওয়ার পর, প্যাকেজিং কারখানা চূড়ান্ত প্যাকেজিং সমাধানে পৌঁছানোর জন্য পরীক্ষা-নিরীক্ষার একটি নকশা (DOE) পরিচালনা করে।

04 TIM নির্বাচন করুন

একটি প্যাকেজে, 90% এরও বেশি তাপ প্যাকেজের মাধ্যমে চিপের উপরে থেকে একটি হিট সিঙ্কে ছড়িয়ে পড়ে, সাধারণত অ্যানোডাইজড অ্যালুমিনিয়াম-ভিত্তিক উল্লম্ব পাখনা। উচ্চ তাপ পরিবাহিতা সহ একটি তাপীয় ইন্টারফেস উপাদান (টিআইএম) তাপ স্থানান্তর করতে সাহায্য করার জন্য চিপ এবং প্যাকেজের মধ্যে স্থাপন করা হয়। সিপিইউ-এর জন্য পরবর্তী প্রজন্মের টিআইএম-এর মধ্যে রয়েছে শীট মেটাল অ্যালয় যেমন ইন্ডিয়াম এবং টিনের পাশাপাশি সিলভার-সিন্টারড টিন, যার পরিবাহিতা যথাক্রমে 60W/mK এবং 50W/mK।

যেহেতু নির্মাতারা SoC গুলিকে চিপলেট প্রসেসে রূপান্তর করে, বিভিন্ন বৈশিষ্ট্য এবং বেধ সহ আরও টিআইএম প্রয়োজন৷

Amkor-এর R&D-এর সিনিয়র ডিরেক্টর ইয়ংডো কিউওন বলেছেন যে উচ্চ-ঘনত্বের সিস্টেমের জন্য, চিপ এবং প্যাকেজের মধ্যে টিআইএম-এর তাপীয় প্রতিরোধের প্যাকেজ মডিউলের সামগ্রিক তাপীয় প্রতিরোধের উপর বেশি প্রভাব ফেলে। পাওয়ার প্রবণতা নাটকীয়ভাবে বৃদ্ধি পাচ্ছে, বিশেষ করে যুক্তিবিদ্যার জন্য, তাই আমরা নির্ভরযোগ্য সেমিকন্ডাক্টর অপারেশন নিশ্চিত করতে জংশন তাপমাত্রা কম রাখার উপর ফোকাস করি। যদিও টিআইএম সরবরাহকারীরা তাদের উপকরণগুলির জন্য তাপীয় প্রতিরোধের মান সরবরাহ করে, বাস্তবে, চিপ থেকে প্যাকেজ পর্যন্ত তাপীয় প্রতিরোধ (θjc) অ্যাসেম্বলি প্রক্রিয়ার দ্বারাই প্রভাবিত হয়, যার মধ্যে বন্ধন গুণমান এবং চিপ এবং টিআইএম-এর মধ্যে যোগাযোগের ক্ষেত্র অন্তর্ভুক্ত। তিনি উল্লেখ করেছেন যে একটি নিয়ন্ত্রিত পরিবেশে প্রকৃত সমাবেশ সরঞ্জাম এবং বন্ডিং উপকরণগুলির সাথে পরীক্ষা করা প্রকৃত তাপীয় কর্মক্ষমতা বোঝার জন্য এবং গ্রাহকের যোগ্যতার জন্য সেরা টিআইএম নির্বাচন করার জন্য গুরুত্বপূর্ণ।

ফাঁক একটি বিশেষ সমস্যা। সিমেন্স প্যারি বলেন, "প্যাকেজিংয়ে উপকরণের ব্যবহার একটি বড় চ্যালেঞ্জ। আমরা ইতিমধ্যেই জানি যে আঠালো বা আঠালোর উপাদান বৈশিষ্ট্য এবং উপাদান যেভাবে পৃষ্ঠকে ভেজায়, উপাদান দ্বারা উপস্থাপিত সামগ্রিক তাপীয় প্রতিরোধকে প্রভাবিত করবে, অর্থাৎ, যোগাযোগ প্রতিরোধের উপর অনেক কিছু নির্ভর করে কিভাবে উপাদানটি অপূর্ণতা তৈরি না করে তাপ প্রবাহের জন্য অতিরিক্ত প্রতিরোধ তৈরি করে।"

 

05 তাপের সমস্যাগুলিকে ভিন্নভাবে মোকাবেলা করা

চিপমেকাররা তাপ অপচয়ের সমস্যা সমাধানের উপায় খুঁজছেন। কীসাইট টেকনোলজিসের মেমরি সলিউশন প্রোগ্রাম ম্যানেজার র্যান্ডি হোয়াইট বলেছেন: "প্যাকেজিং পদ্ধতি একই থাকে, আপনি যদি চিপের আকার এক চতুর্থাংশ কমিয়ে দেন, তবে এটির গতি বাড়বে। কিছু সংকেত অখণ্ডতার পার্থক্য থাকতে পারে। বহিরাগত প্যাকেজ কীগুলির কারণে বন্ডিং ওয়্যারটি চিপে যায়, এবং তারটি যত বেশি হবে, ইন্ডাকট্যান্স তত বেশি হবে, তাই, আপনি একটি ছোট জায়গায় এত শক্তি কীভাবে নষ্ট করবেন? "

এটি অত্যাধুনিক বন্ধন গবেষণায় উল্লেখযোগ্য বিনিয়োগের দিকে পরিচালিত করেছে, আপাতদৃষ্টিতে হাইব্রিড বন্ধনের উপর ফোকাস করছে। কিন্তু হাইব্রিড বন্ডিং ব্যয়বহুল এবং উচ্চ-পারফরম্যান্স প্রসেসর-টাইপ অ্যাপ্লিকেশনের মধ্যে সীমাবদ্ধ থাকে, TSMC বর্তমানে এই প্রযুক্তি অফার করে এমন একমাত্র কোম্পানিগুলির মধ্যে একটি। যাইহোক, সিলিকনে CMOS চিপস বা গ্যালিয়াম নাইট্রাইডে ফোটন একত্রিত করার সম্ভাবনা আশাব্যঞ্জক।

06 উপসংহার

উন্নত প্যাকেজিংয়ের প্রাথমিক ধারণা হল এটি লেগো ব্রিকসের মতো কাজ করবে - বিভিন্ন প্রক্রিয়ার নোডে তৈরি চিপগুলিকে একত্রিত করা যেতে পারে এবং তাপীয় সমস্যাগুলি উপশম করা হবে। কিন্তু এই একটি খরচ আসে. পারফরম্যান্স এবং পাওয়ার দৃষ্টিকোণ থেকে, সিগন্যালটি ভ্রমণের জন্য যে দূরত্বের প্রয়োজন তা গুরুত্বপূর্ণ, এবং সার্কিটগুলি যেগুলি সর্বদা চালু থাকে বা আংশিকভাবে খোলা থাকে, তা তাপ কর্মক্ষমতাকে প্রভাবিত করতে পারে। ফলন এবং নমনীয়তা বাড়াতে একটি চিপকে একাধিক অংশে ভাগ করা যতটা সহজ মনে হয় ততটা সহজ নয়। প্যাকেজের প্রতিটি আন্তঃসংযোগ অবশ্যই অপ্টিমাইজ করা উচিত এবং হটস্পটগুলি আর একটি একক চিপের মধ্যে সীমাবদ্ধ নয়৷

প্রাথমিক মডেলিং সরঞ্জামগুলি চিপগুলির বিভিন্ন সংমিশ্রণকে বাতিল করতে ব্যবহার করা যেতে পারে, যা জটিল মডিউলগুলির ডিজাইনারদের একটি বড় উত্সাহ দেয়। ক্রমবর্ধমান বিদ্যুতের ঘনত্বের এই যুগে, তাপীয় সিমুলেশন এবং নতুন টিআইএম প্রবর্তন অপরিহার্য থাকবে।