الأهمية المتزايدة للإدارة الحرارية
أصبحت تعبئة CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate) أسلوبًا سائدًا للحوسبة عالية الأداء، ومسرعات الذكاء الاصطناعي، ووحدات الذاكرة ذات النطاق الترددي العالي. غالبًا ما ينصب التركيز الرئيسي على كثافة التوصيل البيني، أو تكامل الشرائح، أو قياس العقدة المنطقية. ومع ذلك، فإن أحد أهم العوامل التي تحد من الأداء في النهاية هو الإدارة الحرارية.
مع استمرار ارتفاع كثافة الطاقة، لم تعد حلول التبريد التقليدية مثل المشتتات الحرارية أو المراوح أو التبريد السائل كافية. تلعب المواد المستخدمة داخل العبوة - المتداخلون، والركائز، وموزعات الحرارة - دورًا مركزيًا متزايدًا. ومن بين المواد الناشئة، جذبت الحلول المعتمدة على الكربون وأشباه الموصلات ذات الفجوة الواسعة الاهتمامالركيزة كربيد السيليكون(الركيزة كربيد السيليكون)تظهر إمكانات فريدة بسبب الموصلية الحرارية العالية والمتانة الميكانيكية والاستقرار الحراري.
المسار الحراري CoWoS: فهم التحدي
تتكون حزمة CoWoS من طبقات متعددة يجب أن تنتقل الحرارة من خلالها. تنتشر الحرارة الناتجة عن القوالب النشطة أولاً أفقيًا من خلال الوسيط، ثم تتحرك عموديًا عبر الركيزة، وأخيرًا تصل إلى نظام التبريد الخارجي. تقدم كل طبقة مقاومة حرارية، مما قد يؤدي إلى ظهور نقاط ساخنة إذا لم تتم إدارتها بشكل صحيح.
في CoWoS التقليدية القائمة على السيليكون، يقوم المتدخل بتوصيل الحرارة بشكل جيد إلى حد ما، ولكن القيود المفروضة على السُمك والمواد تحد من فعاليته. عندما تصبح بنيات الشرائح أكثر كثافة، تزداد النقاط الساخنة، ويمكن أن تسبب التدرجات الحرارية إجهادًا ميكانيكيًا. في مثل هذه الظروف، مواد مثلالركيزة كربيد السيليكونيمكن أن يعزز انتشار الحرارة الجانبي ويقلل من خطر التشوه الناتج عن الحرارة، مما يسد فجوة حرجة في الإدارة الحرارية على مستوى النظام.
وسطاء السيليكون: نقاط القوة والقيود
يتم اعتماد المتدخلين السيليكونيين على نطاق واسع في CoWoS نظرًا لعمليات التصنيع الناضجة، وتوافق التوصيل البيني الدقيق، والأداء الكهربائي. بالنسبة للتطبيقات ذات الطاقة المنخفضة إلى المتوسطة، تعمل أجهزة التدخل السيليكونية بشكل جيد، مما يوفر توجيهًا دقيقًا للإشارة ودعمًا ميكانيكيًا.
ومع ذلك، مع توسع CoWoS في التطبيقات عالية الطاقة، أصبحت القيود واضحة:
تعمل نقاط الاتصال المحلية على تقليل الأداء والموثوقية.
يمكن أن يؤدي عدم تطابق التمدد الحراري بين المتدخل السيليكوني والقوالب عالية الطاقة إلى حدوث إجهاد وتشوه.
تحد قيود السُمك من قدرة المتدخل على تبديد الحرارة بشكل فعال.
توضح هذه التحديات سبب استخدام المواد البديلة أو التكميلية، مثلالركيزة كربيد السيليكون، ضرورية للحفاظ على الأداء والموثوقية في أنظمة CoWoS من الجيل التالي.
توسيع لوحة المواد الحرارية
تتطلب تلبية المتطلبات الحرارية لتغليف CoWoS عالي الكثافة الانتقال إلى ما هو أبعد من السيليكون. يركز مهندسو المواد الآن على عدة طرق:
موزعات الحرارة المتقدمة: يمكن لمركبات النحاس أو النحاس والموليبدينوم أن تقلل من المقاومة الحرارية المحلية، ولكنها غالبًا ما تؤدي إلى عدم التطابق الميكانيكي.
مواد واجهة حرارية عالية الأداء (TIMs): تقليل مقاومة التلامس، ولكن لا يمكن التغلب على حدود المواد الأساسية.
السيراميك والمواد واسعة النطاق: مواد مثلالركيزة كربيد السيليكونتجمع بين الموصلية الحرارية العالية والقوة الميكانيكية والثبات الكيميائي، مما يجعلها مثالية لتطبيقات CoWoS عالية الطاقة والكثافة.
ومن خلال الدمج الاستراتيجي لهذه المواد، يصبح من الممكن إنشاء حزمة CoWoS حيث يكون لكل طبقة دور محدد بوضوح في الإدارة الحرارية بدلاً من الاعتماد فقط على التبريد الخارجي.
الركيزة كربيد السيليكون: الأدوار الوظيفية في CoWoS
توفر الركيزة SiC العديد من المزايا مقارنة بالسيليكون التقليدي للإدارة الحرارية في حزم CoWoS:
الموصلية الحرارية العالية: يسهل انتشار الحرارة الجانبية والرأسية، ويقلل من النقاط الساخنة.
انخفاض معامل التمدد الحراري (CTE): يقلل من الضغط الميكانيكي أثناء ركوب الدراجات الحرارية.
المتانة الميكانيكية: يحافظ على ثبات الأبعاد في الرقائق الرقيقة والكبيرة الحجم.
الاستقرار الكيميائي: متوافق مع المعالجة العدوانية ذات درجات الحرارة العالية والتشغيل طويل الأمد.
في التطبيقات العملية، يمكن لركيزة SiC أن تخدم أدوارًا متعددة:
باعتباره وسيطًا عالي الأداء، يستبدل أو يكمل طبقات السيليكون.
كطبقة مدمجة لنشر الحرارة تحت قوالب عالية الطاقة.
كطبقة هيكلية لتثبيت العبوة ومنع الاعوجاج تحت الضغط الحراري.
تسمح هذه الأدوار للوسيط والركيزة بالعمل كوحدة موحدةمنصة حرارية وميكانيكية، وليس فقط كطبقة ربط كهربائية.
الآثار المترتبة على مستوى النظام للمواد الحرارية
تؤثر مواد الإدارة الحرارية على ما هو أكثر من تبديد الحرارة، فهي تحدد بنية النظام بشكل عام. من خلال دمجالركيزة كربيد السيليكونأو مواد متقدمة مشابهة، يستطيع المصممون تحقيق ما يلي:
أداء مستدام أعلى في ظل التشغيل المستمر عالي الطاقة.
تقليل التدرجات الحرارية، وتحسين الموثوقية وتقليل معدلات الفشل.
وحدات متعددة الشرائح أكثر إحكاما وتكاملًا غير متجانس، مما يتيح تصميمات مبتكرة في مسرعات الذكاء الاصطناعي والحوسبة عالية الأداء.
وبعبارة أخرى، تعمل المواد الحرارية الآن كعوامل تمكينية وليست قيودًا. تؤثر القرارات المتخذة على طبقة المواد على تخطيط الحزمة، ووضع الشرائح، وفي النهاية، على أداء النظام بأكمله.
اعتبارات التصنيع لركيزة SiC في CoWoS
في حين أن الركيزة SiC توفر مزايا كبيرة، فإن دمجها في حزم CoWoS يتطلب دراسة متأنية:
ترقق الرقاقة: إن SiC أصعب من السيليكون، مما يجعل عملية الترقق الدقيقة أمرًا صعبًا.
عن طريق التشكيل: تتطلب منافذ SiC طرقًا متقدمة للحفر أو بمساعدة الليزر.
تعدين: يتطلب تحقيق التصاق معدني قوي وموثوق على SiC طبقات حاجزة والتصاق مصممة للتشغيل في درجات الحرارة العالية.
التحكم في العيوب: يجب أن تحافظ رقائق SiC ذات المساحة الكبيرة لـ CoWoS مقاس 12 بوصة على التجانس وكثافة العيوب المنخفضة لضمان الإنتاجية.
وهذه التحديات ليست تافهة ولكن يمكن التغلب عليها. تتيح الحلول في التحكم في العمليات والفحص ومعالجة المواد استخدام ركيزة SiC في تطبيقات CoWoS عالية الأداء.
نحو بنيات CoWoS المرتكزة على المواد
يشير تطور CoWoS إلى أن التغليف المتقدم سيكون على نحو متزايدمدفوعة بالمواد. يظل التوصيل الكهربائي مهمًا، لكن الخصائص الحرارية والميكانيكية تلعب الآن دورًا حاسمًا بنفس القدر. بالدمجالركيزة كربيد السيليكون، يمكن لحزم CoWoS دعم كثافات طاقة أعلى، وتقليل مخاطر الفشل الحراري، وتمكين بنيات التكامل المعقدة غير المتجانسة.
يسلط هذا التحول الضوء أيضًا على اتجاه أوسع في تعبئة أشباه الموصلات: حيث تتقارب علوم المواد والهندسة الميكانيكية والتصميم على مستوى النظام. سيتم تحديد حزم CoWoS المستقبلية من خلال اختيار المواد الحرارية بقدر درجة التوصيل البيني أو حجم القالب.
خاتمة
لم تعد مواد الإدارة الحرارية CoWoS هامشية، فهي تحدد غلاف التشغيل للأنظمة الحديثة عالية الأداء. وصلت طبقات السيليكون التقليدية إلى حدودها الحرارية، والمواد المبتكرة مثلالركيزة كربيد السيليكونتوفير مسارات جديدة لنشر الحرارة، والاستقرار الميكانيكي، والموثوقية على المدى الطويل.
من خلال إعطاء الأولوية للابتكار والتكامل على مستوى المواد، يمكن لمصممي CoWoS إطلاق العنان للأداء العالي والبنيات الأكثر كثافة والتشغيل القوي في البيئات الصعبة. مع استمرار ارتفاع كثافة الطاقة، ستصبح ركيزة SiC عامل تمكين رئيسي لتقنية CoWoS من الجيل التالي، مما يسد الفجوة بين علوم المواد والأداء على مستوى النظام.
الأهمية المتزايدة للإدارة الحرارية
أصبحت تعبئة CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate) أسلوبًا سائدًا للحوسبة عالية الأداء، ومسرعات الذكاء الاصطناعي، ووحدات الذاكرة ذات النطاق الترددي العالي. غالبًا ما ينصب التركيز الرئيسي على كثافة التوصيل البيني، أو تكامل الشرائح، أو قياس العقدة المنطقية. ومع ذلك، فإن أحد أهم العوامل التي تحد من الأداء في النهاية هو الإدارة الحرارية.
مع استمرار ارتفاع كثافة الطاقة، لم تعد حلول التبريد التقليدية مثل المشتتات الحرارية أو المراوح أو التبريد السائل كافية. تلعب المواد المستخدمة داخل العبوة - المتداخلون، والركائز، وموزعات الحرارة - دورًا مركزيًا متزايدًا. ومن بين المواد الناشئة، جذبت الحلول المعتمدة على الكربون وأشباه الموصلات ذات الفجوة الواسعة الاهتمامالركيزة كربيد السيليكون(الركيزة كربيد السيليكون)تظهر إمكانات فريدة بسبب الموصلية الحرارية العالية والمتانة الميكانيكية والاستقرار الحراري.
المسار الحراري CoWoS: فهم التحدي
تتكون حزمة CoWoS من طبقات متعددة يجب أن تنتقل الحرارة من خلالها. تنتشر الحرارة الناتجة عن القوالب النشطة أولاً أفقيًا من خلال الوسيط، ثم تتحرك عموديًا عبر الركيزة، وأخيرًا تصل إلى نظام التبريد الخارجي. تقدم كل طبقة مقاومة حرارية، مما قد يؤدي إلى ظهور نقاط ساخنة إذا لم تتم إدارتها بشكل صحيح.
في CoWoS التقليدية القائمة على السيليكون، يقوم المتدخل بتوصيل الحرارة بشكل جيد إلى حد ما، ولكن القيود المفروضة على السُمك والمواد تحد من فعاليته. عندما تصبح بنيات الشرائح أكثر كثافة، تزداد النقاط الساخنة، ويمكن أن تسبب التدرجات الحرارية إجهادًا ميكانيكيًا. في مثل هذه الظروف، مواد مثلالركيزة كربيد السيليكونيمكن أن يعزز انتشار الحرارة الجانبي ويقلل من خطر التشوه الناتج عن الحرارة، مما يسد فجوة حرجة في الإدارة الحرارية على مستوى النظام.
وسطاء السيليكون: نقاط القوة والقيود
يتم اعتماد المتدخلين السيليكونيين على نطاق واسع في CoWoS نظرًا لعمليات التصنيع الناضجة، وتوافق التوصيل البيني الدقيق، والأداء الكهربائي. بالنسبة للتطبيقات ذات الطاقة المنخفضة إلى المتوسطة، تعمل أجهزة التدخل السيليكونية بشكل جيد، مما يوفر توجيهًا دقيقًا للإشارة ودعمًا ميكانيكيًا.
ومع ذلك، مع توسع CoWoS في التطبيقات عالية الطاقة، أصبحت القيود واضحة:
تعمل نقاط الاتصال المحلية على تقليل الأداء والموثوقية.
يمكن أن يؤدي عدم تطابق التمدد الحراري بين المتدخل السيليكوني والقوالب عالية الطاقة إلى حدوث إجهاد وتشوه.
تحد قيود السُمك من قدرة المتدخل على تبديد الحرارة بشكل فعال.
توضح هذه التحديات سبب استخدام المواد البديلة أو التكميلية، مثلالركيزة كربيد السيليكون، ضرورية للحفاظ على الأداء والموثوقية في أنظمة CoWoS من الجيل التالي.
توسيع لوحة المواد الحرارية
تتطلب تلبية المتطلبات الحرارية لتغليف CoWoS عالي الكثافة الانتقال إلى ما هو أبعد من السيليكون. يركز مهندسو المواد الآن على عدة طرق:
موزعات الحرارة المتقدمة: يمكن لمركبات النحاس أو النحاس والموليبدينوم أن تقلل من المقاومة الحرارية المحلية، ولكنها غالبًا ما تؤدي إلى عدم التطابق الميكانيكي.
مواد واجهة حرارية عالية الأداء (TIMs): تقليل مقاومة التلامس، ولكن لا يمكن التغلب على حدود المواد الأساسية.
السيراميك والمواد واسعة النطاق: مواد مثلالركيزة كربيد السيليكونتجمع بين الموصلية الحرارية العالية والقوة الميكانيكية والثبات الكيميائي، مما يجعلها مثالية لتطبيقات CoWoS عالية الطاقة والكثافة.
ومن خلال الدمج الاستراتيجي لهذه المواد، يصبح من الممكن إنشاء حزمة CoWoS حيث يكون لكل طبقة دور محدد بوضوح في الإدارة الحرارية بدلاً من الاعتماد فقط على التبريد الخارجي.
الركيزة كربيد السيليكون: الأدوار الوظيفية في CoWoS
توفر الركيزة SiC العديد من المزايا مقارنة بالسيليكون التقليدي للإدارة الحرارية في حزم CoWoS:
الموصلية الحرارية العالية: يسهل انتشار الحرارة الجانبية والرأسية، ويقلل من النقاط الساخنة.
انخفاض معامل التمدد الحراري (CTE): يقلل من الضغط الميكانيكي أثناء ركوب الدراجات الحرارية.
المتانة الميكانيكية: يحافظ على ثبات الأبعاد في الرقائق الرقيقة والكبيرة الحجم.
الاستقرار الكيميائي: متوافق مع المعالجة العدوانية ذات درجات الحرارة العالية والتشغيل طويل الأمد.
في التطبيقات العملية، يمكن لركيزة SiC أن تخدم أدوارًا متعددة:
باعتباره وسيطًا عالي الأداء، يستبدل أو يكمل طبقات السيليكون.
كطبقة مدمجة لنشر الحرارة تحت قوالب عالية الطاقة.
كطبقة هيكلية لتثبيت العبوة ومنع الاعوجاج تحت الضغط الحراري.
تسمح هذه الأدوار للوسيط والركيزة بالعمل كوحدة موحدةمنصة حرارية وميكانيكية، وليس فقط كطبقة ربط كهربائية.
الآثار المترتبة على مستوى النظام للمواد الحرارية
تؤثر مواد الإدارة الحرارية على ما هو أكثر من تبديد الحرارة، فهي تحدد بنية النظام بشكل عام. من خلال دمجالركيزة كربيد السيليكونأو مواد متقدمة مشابهة، يستطيع المصممون تحقيق ما يلي:
أداء مستدام أعلى في ظل التشغيل المستمر عالي الطاقة.
تقليل التدرجات الحرارية، وتحسين الموثوقية وتقليل معدلات الفشل.
وحدات متعددة الشرائح أكثر إحكاما وتكاملًا غير متجانس، مما يتيح تصميمات مبتكرة في مسرعات الذكاء الاصطناعي والحوسبة عالية الأداء.
وبعبارة أخرى، تعمل المواد الحرارية الآن كعوامل تمكينية وليست قيودًا. تؤثر القرارات المتخذة على طبقة المواد على تخطيط الحزمة، ووضع الشرائح، وفي النهاية، على أداء النظام بأكمله.
اعتبارات التصنيع لركيزة SiC في CoWoS
في حين أن الركيزة SiC توفر مزايا كبيرة، فإن دمجها في حزم CoWoS يتطلب دراسة متأنية:
ترقق الرقاقة: إن SiC أصعب من السيليكون، مما يجعل عملية الترقق الدقيقة أمرًا صعبًا.
عن طريق التشكيل: تتطلب منافذ SiC طرقًا متقدمة للحفر أو بمساعدة الليزر.
تعدين: يتطلب تحقيق التصاق معدني قوي وموثوق على SiC طبقات حاجزة والتصاق مصممة للتشغيل في درجات الحرارة العالية.
التحكم في العيوب: يجب أن تحافظ رقائق SiC ذات المساحة الكبيرة لـ CoWoS مقاس 12 بوصة على التجانس وكثافة العيوب المنخفضة لضمان الإنتاجية.
وهذه التحديات ليست تافهة ولكن يمكن التغلب عليها. تتيح الحلول في التحكم في العمليات والفحص ومعالجة المواد استخدام ركيزة SiC في تطبيقات CoWoS عالية الأداء.
نحو بنيات CoWoS المرتكزة على المواد
يشير تطور CoWoS إلى أن التغليف المتقدم سيكون على نحو متزايدمدفوعة بالمواد. يظل التوصيل الكهربائي مهمًا، لكن الخصائص الحرارية والميكانيكية تلعب الآن دورًا حاسمًا بنفس القدر. بالدمجالركيزة كربيد السيليكون، يمكن لحزم CoWoS دعم كثافات طاقة أعلى، وتقليل مخاطر الفشل الحراري، وتمكين بنيات التكامل المعقدة غير المتجانسة.
يسلط هذا التحول الضوء أيضًا على اتجاه أوسع في تعبئة أشباه الموصلات: حيث تتقارب علوم المواد والهندسة الميكانيكية والتصميم على مستوى النظام. سيتم تحديد حزم CoWoS المستقبلية من خلال اختيار المواد الحرارية بقدر درجة التوصيل البيني أو حجم القالب.
خاتمة
لم تعد مواد الإدارة الحرارية CoWoS هامشية، فهي تحدد غلاف التشغيل للأنظمة الحديثة عالية الأداء. وصلت طبقات السيليكون التقليدية إلى حدودها الحرارية، والمواد المبتكرة مثلالركيزة كربيد السيليكونتوفير مسارات جديدة لنشر الحرارة، والاستقرار الميكانيكي، والموثوقية على المدى الطويل.
من خلال إعطاء الأولوية للابتكار والتكامل على مستوى المواد، يمكن لمصممي CoWoS إطلاق العنان للأداء العالي والبنيات الأكثر كثافة والتشغيل القوي في البيئات الصعبة. مع استمرار ارتفاع كثافة الطاقة، ستصبح ركيزة SiC عامل تمكين رئيسي لتقنية CoWoS من الجيل التالي، مما يسد الفجوة بين علوم المواد والأداء على مستوى النظام.
