Tầm quan trọng ngày càng tăng của Quản lý Nhiệt
Đóng gói CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate) đã trở thành một phương pháp chủ đạo cho điện toán hiệu năng cao, bộ tăng tốc AI và các mô-đun bộ nhớ băng thông cao. Trọng tâm chính thường rơi vào mật độ liên kết, tích hợp chiplet hoặc mở rộng nút logic. Tuy nhiên, một trong những yếu tố quan trọng nhất cuối cùng giới hạn hiệu suất là quản lý nhiệt.
Khi mật độ công suất tiếp tục tăng, các giải pháp làm mát truyền thống như tản nhiệt, quạt hoặc làm mát bằng chất lỏng không còn đủ. Các vật liệu được sử dụng trong gói—interposer, substrate và bộ tản nhiệt—đóng một vai trò ngày càng quan trọng. Trong số các vật liệu mới nổi, các giải pháp dựa trên carbon và chất bán dẫn dải rộng đã thu hút sự chú ý, với substrate SiC (substrate silicon carbide) thể hiện tiềm năng độc đáo do độ dẫn nhiệt cao, độ bền cơ học và độ ổn định nhiệt.
Đường dẫn nhiệt CoWoS: Hiểu rõ thách thức
Một gói CoWoS bao gồm nhiều lớp mà nhiệt phải đi qua. Nhiệt do các die hoạt động tạo ra trước tiên lan ra theo chiều ngang qua interposer, sau đó di chuyển theo chiều dọc qua substrate và cuối cùng đến hệ thống làm mát bên ngoài. Mỗi lớp tạo ra điện trở nhiệt, có thể dẫn đến các điểm nóng nếu không được quản lý đúng cách.
Trong CoWoS dựa trên silicon truyền thống, interposer dẫn nhiệt khá tốt, nhưng độ dày và các giới hạn về vật liệu hạn chế hiệu quả của nó. Khi kiến trúc chiplet trở nên dày đặc hơn, các điểm nóng tăng lên và gradient nhiệt có thể gây ra ứng suất cơ học. Trong những điều kiện như vậy, các vật liệu như substrate SiC có thể tăng cường khả năng tản nhiệt theo chiều ngang và giảm nguy cơ biến dạng do nhiệt, thu hẹp khoảng cách quan trọng trong quản lý nhiệt ở cấp hệ thống.
Interposer silicon: Điểm mạnh và hạn chế
Interposer silicon được ứng dụng rộng rãi trong CoWoS do các quy trình chế tạo trưởng thành, khả năng tương thích liên kết bước nhỏ và hiệu suất điện. Đối với các ứng dụng công suất thấp đến trung bình, interposer silicon hoạt động tốt, cung cấp khả năng định tuyến tín hiệu chính xác và hỗ trợ cơ học.
Tuy nhiên, khi CoWoS mở rộng quy mô cho các ứng dụng công suất cao, những hạn chế trở nên rõ ràng:
Các điểm nóng cục bộ làm giảm hiệu suất và độ tin cậy.
Sự không khớp giãn nở nhiệt giữa interposer silicon và các die công suất cao có thể gây ra ứng suất và cong vênh.
Các ràng buộc về độ dày giới hạn khả năng tản nhiệt hiệu quả của interposer.
Những thách thức này minh họa lý do tại sao cần có các vật liệu thay thế hoặc bổ sung, chẳng hạn như substrate SiC, để duy trì hiệu suất và độ tin cậy trong các hệ thống CoWoS thế hệ tiếp theo.
Mở rộng bảng màu vật liệu nhiệt
Đáp ứng các yêu cầu về nhiệt của đóng gói CoWoS mật độ cao đòi hỏi phải vượt ra ngoài silicon. Các kỹ sư vật liệu hiện tập trung vào một số phương pháp:
Bộ tản nhiệt tiên tiến: Đồng hoặc vật liệu composite đồng-molypden có thể làm giảm điện trở nhiệt cục bộ, nhưng chúng thường tạo ra sự không khớp cơ học.
Vật liệu giao diện nhiệt (TIM) hiệu suất cao: Giảm điện trở tiếp xúc, nhưng không thể khắc phục các giới hạn cơ bản của vật liệu.
Gốm và Vật liệu dải rộng: Các vật liệu như substrate SiC kết hợp độ dẫn nhiệt cao với độ bền cơ học và độ ổn định hóa học, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các ứng dụng CoWoS mật độ cao, công suất cao.
Bằng cách tích hợp chiến lược các vật liệu này, có thể tạo ra một gói CoWoS trong đó mỗi lớp có vai trò được xác định rõ ràng trong quản lý nhiệt thay vì chỉ dựa vào làm mát bên ngoài.
Substrate silicon carbide: Vai trò chức năng trong CoWoS
Substrate SiC mang lại một số lợi thế so với silicon thông thường để quản lý nhiệt trong các gói CoWoS:
Độ dẫn nhiệt cao: Tạo điều kiện cho việc tản nhiệt theo chiều ngang và chiều dọc, giảm thiểu các điểm nóng.
Hệ số giãn nở nhiệt (CTE) thấp: Giảm ứng suất cơ học trong quá trình chu kỳ nhiệt.
Độ bền cơ học: Duy trì độ ổn định kích thước trong các tấm wafer mỏng và diện tích lớn.
Độ ổn định hóa học: Tương thích với quá trình xử lý nhiệt độ cao khắc nghiệt và hoạt động lâu dài.
Trong các ứng dụng thực tế, substrate SiC có thể đóng nhiều vai trò:
Là một interposer hiệu suất cao, thay thế hoặc bổ sung cho các lớp silicon.
Là một lớp tản nhiệt nhúng bên dưới các die công suất cao.
Là một lớp kết cấu để ổn định gói và ngăn ngừa cong vênh dưới ứng suất nhiệt.
Những vai trò này cho phép interposer và substrate hoạt động như một nền tảng nhiệt và cơ học thống nhất, không chỉ là một lớp liên kết điện.
Ý nghĩa cấp hệ thống của vật liệu nhiệt
Vật liệu quản lý nhiệt ảnh hưởng đến nhiều hơn là tản nhiệt—chúng xác định kiến trúc hệ thống tổng thể. Bằng cách kết hợp substrate SiC hoặc các vật liệu tiên tiến tương tự, các nhà thiết kế có thể đạt được:
Hiệu suất bền vững cao hơn trong quá trình hoạt động công suất cao liên tục.
Giảm gradient nhiệt, cải thiện độ tin cậy và giảm tỷ lệ lỗi.
Các mô-đun đa chip nhỏ gọn hơn và tích hợp không đồng nhất, cho phép các thiết kế sáng tạo trong bộ tăng tốc AI và điện toán hiệu năng cao.
Nói cách khác, vật liệu nhiệt hiện đóng vai trò là yếu tố hỗ trợ chứ không phải là hạn chế. Các quyết định được đưa ra ở lớp vật liệu ảnh hưởng đến bố cục gói, vị trí chiplet và cuối cùng là hiệu suất của toàn bộ hệ thống.
Các cân nhắc về sản xuất đối với substrate SiC trong CoWoS
Mặc dù substrate SiC mang lại những lợi thế đáng kể, nhưng việc tích hợp nó vào các gói CoWoS đòi hỏi phải xem xét cẩn thận:
Làm mỏng wafer: SiC cứng hơn silicon, khiến việc làm mỏng chính xác trở nên đầy thách thức.
Hình thành Via: Via xuyên SiC yêu cầu các phương pháp khắc hoặc hỗ trợ bằng laser tiên tiến.
Kim loại hóa: Đạt được độ bám dính kim loại chắc chắn, đáng tin cậy trên SiC đòi hỏi các lớp rào cản và độ bám dính phù hợp với hoạt động ở nhiệt độ cao.
Kiểm soát khuyết tật: Các tấm wafer SiC diện tích lớn cho CoWoS 12 inch phải duy trì tính đồng nhất và mật độ khuyết tật thấp để đảm bảo năng suất.
Những thách thức này không hề tầm thường nhưng có thể vượt qua được. Các giải pháp trong kiểm soát quy trình, kiểm tra và xử lý vật liệu cho phép sử dụng substrate SiC trong các ứng dụng CoWoS hiệu năng cao.
Hướng tới Kiến trúc CoWoS Lấy Vật liệu làm Trung tâm
Sự phát triển của CoWoS cho thấy rằng đóng gói tiên tiến sẽ ngày càng do vật liệu thúc đẩy. Khả năng kết nối điện vẫn quan trọng, nhưng các đặc tính nhiệt và cơ học hiện đóng một vai trò quan trọng không kém. Bằng cách tích hợp substrate SiC, các gói CoWoS có thể hỗ trợ mật độ công suất cao hơn, giảm nguy cơ hỏng hóc do nhiệt và cho phép các kiến trúc tích hợp không đồng nhất phức tạp.
Sự thay đổi này cũng làm nổi bật một xu hướng rộng hơn trong đóng gói chất bán dẫn: khoa học vật liệu, kỹ thuật cơ khí và thiết kế cấp hệ thống đang hội tụ. Các gói CoWoS trong tương lai sẽ được xác định nhiều bởi sự lựa chọn vật liệu nhiệt cũng như bước liên kết hoặc kích thước die.
Kết luận
Vật liệu quản lý nhiệt CoWoS không còn là yếu tố ngoại vi—chúng xác định phạm vi hoạt động của các hệ thống hiệu năng cao hiện đại. Các lớp silicon truyền thống đang đạt đến giới hạn nhiệt của chúng và các vật liệu sáng tạo như substrate SiC cung cấp các con đường mới để tản nhiệt, ổn định cơ học và độ tin cậy lâu dài.
Bằng cách ưu tiên đổi mới và tích hợp ở cấp độ vật liệu, các nhà thiết kế CoWoS có thể mở ra hiệu suất cao hơn, kiến trúc dày đặc hơn và hoạt động mạnh mẽ trong môi trường khắc nghiệt. Khi mật độ công suất tiếp tục tăng, substrate SiC sẽ trở thành yếu tố hỗ trợ chính của công nghệ CoWoS thế hệ tiếp theo, thu hẹp khoảng cách giữa khoa học vật liệu và hiệu suất cấp hệ thống.
Tầm quan trọng ngày càng tăng của Quản lý Nhiệt
Đóng gói CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate) đã trở thành một phương pháp chủ đạo cho điện toán hiệu năng cao, bộ tăng tốc AI và các mô-đun bộ nhớ băng thông cao. Trọng tâm chính thường rơi vào mật độ liên kết, tích hợp chiplet hoặc mở rộng nút logic. Tuy nhiên, một trong những yếu tố quan trọng nhất cuối cùng giới hạn hiệu suất là quản lý nhiệt.
Khi mật độ công suất tiếp tục tăng, các giải pháp làm mát truyền thống như tản nhiệt, quạt hoặc làm mát bằng chất lỏng không còn đủ. Các vật liệu được sử dụng trong gói—interposer, substrate và bộ tản nhiệt—đóng một vai trò ngày càng quan trọng. Trong số các vật liệu mới nổi, các giải pháp dựa trên carbon và chất bán dẫn dải rộng đã thu hút sự chú ý, với substrate SiC (substrate silicon carbide) thể hiện tiềm năng độc đáo do độ dẫn nhiệt cao, độ bền cơ học và độ ổn định nhiệt.
Đường dẫn nhiệt CoWoS: Hiểu rõ thách thức
Một gói CoWoS bao gồm nhiều lớp mà nhiệt phải đi qua. Nhiệt do các die hoạt động tạo ra trước tiên lan ra theo chiều ngang qua interposer, sau đó di chuyển theo chiều dọc qua substrate và cuối cùng đến hệ thống làm mát bên ngoài. Mỗi lớp tạo ra điện trở nhiệt, có thể dẫn đến các điểm nóng nếu không được quản lý đúng cách.
Trong CoWoS dựa trên silicon truyền thống, interposer dẫn nhiệt khá tốt, nhưng độ dày và các giới hạn về vật liệu hạn chế hiệu quả của nó. Khi kiến trúc chiplet trở nên dày đặc hơn, các điểm nóng tăng lên và gradient nhiệt có thể gây ra ứng suất cơ học. Trong những điều kiện như vậy, các vật liệu như substrate SiC có thể tăng cường khả năng tản nhiệt theo chiều ngang và giảm nguy cơ biến dạng do nhiệt, thu hẹp khoảng cách quan trọng trong quản lý nhiệt ở cấp hệ thống.
Interposer silicon: Điểm mạnh và hạn chế
Interposer silicon được ứng dụng rộng rãi trong CoWoS do các quy trình chế tạo trưởng thành, khả năng tương thích liên kết bước nhỏ và hiệu suất điện. Đối với các ứng dụng công suất thấp đến trung bình, interposer silicon hoạt động tốt, cung cấp khả năng định tuyến tín hiệu chính xác và hỗ trợ cơ học.
Tuy nhiên, khi CoWoS mở rộng quy mô cho các ứng dụng công suất cao, những hạn chế trở nên rõ ràng:
Các điểm nóng cục bộ làm giảm hiệu suất và độ tin cậy.
Sự không khớp giãn nở nhiệt giữa interposer silicon và các die công suất cao có thể gây ra ứng suất và cong vênh.
Các ràng buộc về độ dày giới hạn khả năng tản nhiệt hiệu quả của interposer.
Những thách thức này minh họa lý do tại sao cần có các vật liệu thay thế hoặc bổ sung, chẳng hạn như substrate SiC, để duy trì hiệu suất và độ tin cậy trong các hệ thống CoWoS thế hệ tiếp theo.
Mở rộng bảng màu vật liệu nhiệt
Đáp ứng các yêu cầu về nhiệt của đóng gói CoWoS mật độ cao đòi hỏi phải vượt ra ngoài silicon. Các kỹ sư vật liệu hiện tập trung vào một số phương pháp:
Bộ tản nhiệt tiên tiến: Đồng hoặc vật liệu composite đồng-molypden có thể làm giảm điện trở nhiệt cục bộ, nhưng chúng thường tạo ra sự không khớp cơ học.
Vật liệu giao diện nhiệt (TIM) hiệu suất cao: Giảm điện trở tiếp xúc, nhưng không thể khắc phục các giới hạn cơ bản của vật liệu.
Gốm và Vật liệu dải rộng: Các vật liệu như substrate SiC kết hợp độ dẫn nhiệt cao với độ bền cơ học và độ ổn định hóa học, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các ứng dụng CoWoS mật độ cao, công suất cao.
Bằng cách tích hợp chiến lược các vật liệu này, có thể tạo ra một gói CoWoS trong đó mỗi lớp có vai trò được xác định rõ ràng trong quản lý nhiệt thay vì chỉ dựa vào làm mát bên ngoài.
Substrate silicon carbide: Vai trò chức năng trong CoWoS
Substrate SiC mang lại một số lợi thế so với silicon thông thường để quản lý nhiệt trong các gói CoWoS:
Độ dẫn nhiệt cao: Tạo điều kiện cho việc tản nhiệt theo chiều ngang và chiều dọc, giảm thiểu các điểm nóng.
Hệ số giãn nở nhiệt (CTE) thấp: Giảm ứng suất cơ học trong quá trình chu kỳ nhiệt.
Độ bền cơ học: Duy trì độ ổn định kích thước trong các tấm wafer mỏng và diện tích lớn.
Độ ổn định hóa học: Tương thích với quá trình xử lý nhiệt độ cao khắc nghiệt và hoạt động lâu dài.
Trong các ứng dụng thực tế, substrate SiC có thể đóng nhiều vai trò:
Là một interposer hiệu suất cao, thay thế hoặc bổ sung cho các lớp silicon.
Là một lớp tản nhiệt nhúng bên dưới các die công suất cao.
Là một lớp kết cấu để ổn định gói và ngăn ngừa cong vênh dưới ứng suất nhiệt.
Những vai trò này cho phép interposer và substrate hoạt động như một nền tảng nhiệt và cơ học thống nhất, không chỉ là một lớp liên kết điện.
Ý nghĩa cấp hệ thống của vật liệu nhiệt
Vật liệu quản lý nhiệt ảnh hưởng đến nhiều hơn là tản nhiệt—chúng xác định kiến trúc hệ thống tổng thể. Bằng cách kết hợp substrate SiC hoặc các vật liệu tiên tiến tương tự, các nhà thiết kế có thể đạt được:
Hiệu suất bền vững cao hơn trong quá trình hoạt động công suất cao liên tục.
Giảm gradient nhiệt, cải thiện độ tin cậy và giảm tỷ lệ lỗi.
Các mô-đun đa chip nhỏ gọn hơn và tích hợp không đồng nhất, cho phép các thiết kế sáng tạo trong bộ tăng tốc AI và điện toán hiệu năng cao.
Nói cách khác, vật liệu nhiệt hiện đóng vai trò là yếu tố hỗ trợ chứ không phải là hạn chế. Các quyết định được đưa ra ở lớp vật liệu ảnh hưởng đến bố cục gói, vị trí chiplet và cuối cùng là hiệu suất của toàn bộ hệ thống.
Các cân nhắc về sản xuất đối với substrate SiC trong CoWoS
Mặc dù substrate SiC mang lại những lợi thế đáng kể, nhưng việc tích hợp nó vào các gói CoWoS đòi hỏi phải xem xét cẩn thận:
Làm mỏng wafer: SiC cứng hơn silicon, khiến việc làm mỏng chính xác trở nên đầy thách thức.
Hình thành Via: Via xuyên SiC yêu cầu các phương pháp khắc hoặc hỗ trợ bằng laser tiên tiến.
Kim loại hóa: Đạt được độ bám dính kim loại chắc chắn, đáng tin cậy trên SiC đòi hỏi các lớp rào cản và độ bám dính phù hợp với hoạt động ở nhiệt độ cao.
Kiểm soát khuyết tật: Các tấm wafer SiC diện tích lớn cho CoWoS 12 inch phải duy trì tính đồng nhất và mật độ khuyết tật thấp để đảm bảo năng suất.
Những thách thức này không hề tầm thường nhưng có thể vượt qua được. Các giải pháp trong kiểm soát quy trình, kiểm tra và xử lý vật liệu cho phép sử dụng substrate SiC trong các ứng dụng CoWoS hiệu năng cao.
Hướng tới Kiến trúc CoWoS Lấy Vật liệu làm Trung tâm
Sự phát triển của CoWoS cho thấy rằng đóng gói tiên tiến sẽ ngày càng do vật liệu thúc đẩy. Khả năng kết nối điện vẫn quan trọng, nhưng các đặc tính nhiệt và cơ học hiện đóng một vai trò quan trọng không kém. Bằng cách tích hợp substrate SiC, các gói CoWoS có thể hỗ trợ mật độ công suất cao hơn, giảm nguy cơ hỏng hóc do nhiệt và cho phép các kiến trúc tích hợp không đồng nhất phức tạp.
Sự thay đổi này cũng làm nổi bật một xu hướng rộng hơn trong đóng gói chất bán dẫn: khoa học vật liệu, kỹ thuật cơ khí và thiết kế cấp hệ thống đang hội tụ. Các gói CoWoS trong tương lai sẽ được xác định nhiều bởi sự lựa chọn vật liệu nhiệt cũng như bước liên kết hoặc kích thước die.
Kết luận
Vật liệu quản lý nhiệt CoWoS không còn là yếu tố ngoại vi—chúng xác định phạm vi hoạt động của các hệ thống hiệu năng cao hiện đại. Các lớp silicon truyền thống đang đạt đến giới hạn nhiệt của chúng và các vật liệu sáng tạo như substrate SiC cung cấp các con đường mới để tản nhiệt, ổn định cơ học và độ tin cậy lâu dài.
Bằng cách ưu tiên đổi mới và tích hợp ở cấp độ vật liệu, các nhà thiết kế CoWoS có thể mở ra hiệu suất cao hơn, kiến trúc dày đặc hơn và hoạt động mạnh mẽ trong môi trường khắc nghiệt. Khi mật độ công suất tiếp tục tăng, substrate SiC sẽ trở thành yếu tố hỗ trợ chính của công nghệ CoWoS thế hệ tiếp theo, thu hẹp khoảng cách giữa khoa học vật liệu và hiệu suất cấp hệ thống.
