چپ پیکیجنگ کے تھرمل مسائل کو کیسے حل کریں۔

  منطق کے چپس گرمی پیدا کرتے ہیں، اور منطق جتنی کم ہوگی اور پروسیسنگ عناصر کا جتنا زیادہ استعمال ہوگا، گرمی اتنی ہی زیادہ ہوگی۔ ...
انجینئر پیچیدہ ماڈیولز سے گرمی کو مؤثر طریقے سے ختم کرنے کے طریقے تلاش کر رہے ہیں۔

ایک ہی پیکج میں ایک ساتھ ایک سے زیادہ چپس رکھنے سے تھرمل مسائل کو ختم کیا جا سکتا ہے، لیکن چونکہ کمپنیاں کارکردگی کو بڑھانے اور طاقت کو کم کرنے کے لیے چپ اسٹیکنگ اور ڈینسر پیکیجنگ میں مزید دلچسپی لے رہی ہیں، وہ گرمی سے متعلق مسائل کے ایک نئے سیٹ سے لڑ رہی ہیں۔

اعلی درجے کی پیکیجنگ چپس نہ صرف اعلی کارکردگی والے کمپیوٹنگ، مصنوعی ذہانت، طاقت کی کثافت میں اضافے، وغیرہ کی ضروریات کو پورا کر سکتی ہیں، بلکہ اعلی درجے کی پیکیجنگ کے گرمی کی کھپت کے مسائل بھی پیچیدہ ہو گئے ہیں۔ کیونکہ ایک چپ پر گرم دھبے ملحقہ چپس کی گرمی کی تقسیم کو متاثر کریں گے۔ چپس کے درمیان آپس میں جڑنے کی رفتار بھی SoCs کے مقابلے ماڈیولز میں سست ہے۔

"دنیا کے ملٹی کور جیسی چیزوں میں آنے سے پہلے، آپ ایک ایسی چپ کے ساتھ کام کر رہے تھے جس کی زیادہ سے زیادہ طاقت تقریباً 150 واٹ فی مربع سینٹی میٹر تھی، جو کہ واحد نقطہ حرارت کا ذریعہ تھا،" جان پیری، ہیڈ آف الیکٹرانکس اور سیمی کنڈکٹرز نے کہا۔ سیمنز ڈیجیٹل انڈسٹریز سافٹ ویئر۔ آپ تینوں سمتوں میں گرمی کو ختم کر سکتے ہیں، تاکہ آپ کچھ بہت ہی اعلی طاقت کی کثافت حاصل کر سکیں۔ لیکن جب آپ کے پاس ایک چپ ہوتی ہے اور اس کے ساتھ ایک اور چپ لگاتے ہیں، اور پھر اس کے ساتھ ایک اور چپ لگاتے ہیں، تو وہ "وہ ایک دوسرے کو گرم کرتے ہیں۔ اس کا مطلب ہے کہ آپ ہر چپ کے لیے یکساں پاور لیول برداشت نہیں کر سکتے، جو تھرمل بناتا ہے۔ چیلنج بہت زیادہ مشکل ہے۔"

یہ مارکیٹ میں 3D-IC اسٹیکنگ کی سست پیش رفت کی ایک اہم وجہ ہے۔ اگرچہ یہ تصور طاقت کی کارکردگی اور انضمام کے نقطہ نظر سے سمجھ میں آتا ہے - اور 3D NAND اور HBM میں اچھی طرح سے کام کرتا ہے - جب منطق کو شامل کیا جاتا ہے تو یہ ایک الگ کہانی ہے۔ لاجک چپس گرمی پیدا کرتی ہے، اور جتنی زیادہ منطق اور پروسیسنگ عناصر کا زیادہ استعمال ہوتا ہے، اتنی ہی زیادہ گرمی ہوتی ہے۔ اس سے لاجک اسٹیکنگ نایاب ہوتی ہے، جو 2.5D فلپ چپ BGA اور فین آؤٹ ڈیزائن کی مقبولیت کی وضاحت کرتی ہے۔

 

 

01 صحیح پیکیج کا انتخاب کریں۔

چپ ڈیزائنرز کے لیے، پیکیجنگ کے بہت سے اختیارات ہیں۔ لیکن چپ انضمام کی کارکردگی اہم ہے۔ اجزاء جیسے سلیکون، TSVs، تانبے کے ستون، وغیرہ سبھی میں توسیع کے مختلف تھرمل کوفیشینٹس (TCE) ہوتے ہیں، جو اسمبلی کی پیداوار اور طویل مدتی اعتبار کو متاثر کرتے ہیں۔

اگر آپ زیادہ فریکوئنسی پر کھولتے اور بند کرتے ہیں، تو آپ کو تھرمل سائیکلنگ کے مسائل کا سامنا کرنا پڑ سکتا ہے۔ پرنٹ شدہ سرکٹ بورڈ، سولڈر بالز، اور سلکان سبھی مختلف شرحوں پر پھیلتے اور معاہدہ کرتے ہیں۔ لہٰذا، پیکج کے کونوں میں تھرمل سائیکلنگ کی ناکامیوں کو دیکھنا معمول کی بات ہے، جہاں سولڈر بالز ٹوٹ سکتی ہیں۔ لہذا کوئی وہاں ایک اضافی زمینی تار یا اضافی بجلی کی فراہمی رکھ سکتا ہے۔

CPU اور HBM کے ساتھ فی الحال مقبول فلپ چپ BGA پیکیج کا رقبہ تقریباً 2500 مربع ملی میٹر ہے۔ "ہم دیکھ رہے ہیں کہ ایک بڑی چپ ممکنہ طور پر چار یا پانچ چھوٹی چپس بن جاتی ہے،" اونٹو انوویشن میں سافٹ ویئر پروڈکٹ مینجمنٹ کے ڈائریکٹر مائیک میکانٹائر نے کہا۔ "لہذا آپ کو ان چپس کو ایک دوسرے سے بات کرنے کی اجازت دینے کے لیے مزید I/O ہونا پڑے گا۔ لہذا آپ گرمی مختص کر سکتے ہیں۔

بالآخر، کولنگ ایک ایسا مسئلہ ہے جس سے سسٹم کی سطح پر نمٹا جا سکتا ہے، اور یہ تجارت کے سلسلے کے ساتھ آتا ہے۔

درحقیقت، کچھ آلات اتنے پیچیدہ ہوتے ہیں کہ ان آلات کو ایپلی کیشن کے مخصوص فیلڈ کے لیے اپنی مرضی کے مطابق بنانے کے لیے اجزاء کو آسانی سے تبدیل کرنا مشکل ہوتا ہے۔ یہی وجہ ہے کہ بہت سے اعلی درجے کی پیکیجنگ مصنوعات کو بہت زیادہ حجم یا قیمت کے لچکدار اجزاء، جیسے سرور چپس کے لیے استعمال کیا جاتا ہے۔

02 چپ ماڈیول سمولیشن اور ٹیسٹنگ میں پیش رفت

بہر حال، انجینئرز پیکیجڈ ماڈیولز کی تیاری سے پہلے پیکج کی وشوسنییتا کا تھرمل تجزیہ کرنے کے نئے طریقے تلاش کر رہے ہیں۔ مثال کے طور پر، سیمنز ڈوئل ASIC پر مبنی ماڈیول کی مثال فراہم کرتا ہے جو BGA پیکیج میں ملٹی لیئر آرگینک سبسٹریٹ پر فین آؤٹ ری ڈسٹری بیوشن لیئر (RDL) کو نصب کرتا ہے۔ یہ دو ماڈل استعمال کرتا ہے، ایک RDL پر مبنی WLP کے لیے اور دوسرا BGA کے لیے ملٹی لیئر آرگینک سبسٹریٹس پر۔ یہ پیکیج ماڈل پیرامیٹرک ہیں، بشمول سبسٹریٹ لیئر اسٹیک اور BGA EDA کی معلومات متعارف کرانے سے پہلے، اور ابتدائی مواد کی تشخیص اور ڈائی پلیسمنٹ کے انتخاب کو قابل بناتے ہیں۔ اس کے بعد، EDA ڈیٹا درآمد کیا گیا اور، ہر ماڈل کے لیے، مواد کے نقشوں نے تمام تہوں میں تانبے کی تقسیم کی تفصیلی تھرمل وضاحت فراہم کی۔ حتمی حرارت کی کھپت کا تخروپن (شکل 2 دیکھیں) میں دھات کی ٹوپی، TIM، اور انڈر فل مواد کے علاوہ تمام مواد پر غور کیا گیا ہے۔

 

  JCET ٹیکنیکل مارکیٹنگ کے ڈائریکٹر ایرک اویانگ نے JCET اور میٹا انجینئرز کے ساتھ یک سنگی چپس، ملٹی چپ ماڈیولز، 2.5D انٹرپوزرز اور 3D اسٹیکڈ چپس کا ایک ASIC اور دو SRAMs کے ساتھ موازنہ کرنے کے لیے شمولیت اختیار کی۔ موازنہ کا عمل سرور کے ماحول، ویکیوم چیمبر کے ساتھ ہیٹ سنک اور TIM کو مستقل رکھتا ہے۔ تھرمل وار، 2.5D اور MCM 3D یا یک سنگی چپس سے بہتر کارکردگی کا مظاہرہ کرتے ہیں۔ Ouyang اور JCET کے ساتھیوں نے ایک ریزسٹر میٹرکس اور پاور لفافے کا خاکہ ڈیزائن کیا (تصویر 3 دیکھیں) جسے ابتدائی ماڈیول ڈیزائن میں مختلف چپس کے ان پٹ پاور لیول کا تعین کرنے اور وقت گزارنے والے تھرمل سمولیشن سے پہلے جنکشن سیٹ کرنے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔ آیا درجہ حرارت کو قابل اعتماد طریقے سے ملایا جا سکتا ہے۔ جیسا کہ تصویر میں دکھایا گیا ہے، ایک محفوظ زون ہر چپ پر پاور رینج کو نمایاں کرتا ہے جو قابل اعتماد معیارات پر پورا اترتا ہے۔

Ouyang نے وضاحت کی کہ ڈیزائن کے عمل کے دوران، سرکٹ ڈیزائنرز کو ماڈیول میں رکھی گئی مختلف چپس کی پاور لیولز کا اندازہ ہو سکتا ہے، لیکن ہو سکتا ہے کہ وہ یہ نہ جان سکیں کہ آیا وہ پاور لیولز قابل اعتبار حد کے اندر ہیں۔ یہ خاکہ چپلیٹ ماڈیول میں تین چپس تک محفوظ پاور ایریا کا تعین کرتا ہے۔ ٹیم نے مزید چپس کے لیے ایک خودکار پاور کیلکولیٹر تیار کیا ہے۔

 

03 تھرمل مزاحمت کی مقدار معلوم کریں۔

ہم سمجھ سکتے ہیں کہ سلکان چپ، سرکٹ بورڈ، گلو، TIM یا پیکیج کے ڈھکن کے ذریعے حرارت کیسے چلائی جاتی ہے، اور درجہ حرارت اور مزاحمتی اقدار کو ٹریک کرنے کے لیے درجہ حرارت کے فرق اور پاور فنکشن کے معیاری طریقے استعمال کرتے ہیں۔

"تھرمل پاتھ کو تین کلیدی اقدار کے ذریعہ مقدار میں طے کیا جاتا ہے - آلہ کے جنکشن سے ماحول تک تھرمل مزاحمت، جنکشن سے کیس تک تھرمل مزاحمت [پیکیج کے اوپر]، اور تھرمل مزاحمت جنکشن سے سرکٹ بورڈ،" جے سی ای ٹی کے اویانگ نے کہا۔ تھرمل مزاحمت اس نے نوٹ کیا کہ، کم از کم، JCET کے صارفین کو θja، θjc، اور θjb کی ضرورت ہوتی ہے، جسے وہ سسٹم ڈیزائن میں استعمال کرتے ہیں۔ وہ اس بات کا تقاضا کر سکتے ہیں کہ دی گئی تھرمل مزاحمت ایک مخصوص قدر سے زیادہ نہ ہو اور ضرورت ہو کہ پیکیج ڈیزائن اس کارکردگی کو فراہم کرے۔ (تفصیلات کے لیے JEDEC کی JESD51-12، رپورٹنگ اور پیکیج تھرمل معلومات کے استعمال کے لیے رہنما خطوط دیکھیں)۔

 

  مواد کے انتخاب اور ملاپ کو دریافت کرنے کا تھرمل سمولیشن سب سے زیادہ اقتصادی طریقہ ہے۔ چپ کو کام کرنے کی حالت میں نقل کرتے ہوئے، ہم عام طور پر ایک یا زیادہ گرم مقامات تلاش کرتے ہیں، لہذا ہم گرمی کی کھپت کو آسان بنانے کے لیے گرم مقامات کے نیچے بنیادی مواد میں تانبے کو شامل کر سکتے ہیں۔ یا پیکیجنگ مواد کو تبدیل کریں اور ہیٹ سنک شامل کریں۔ سسٹم انٹیگریٹر یہ بتا سکتا ہے کہ تھرمل مزاحمت θja، θjc، اور θjb کچھ قدروں سے زیادہ نہیں ہونی چاہئے۔ عام طور پر، سلکان جنکشن کا درجہ حرارت 125 ڈگری سے کم رکھا جانا چاہیے۔

تخروپن مکمل ہونے کے بعد، پیکیجنگ فیکٹری حتمی پیکیجنگ حل تک پہنچنے کے لیے تجربات کے ڈیزائن (DOE) کا انعقاد کرتی ہے۔

04 TIM منتخب کریں۔

ایک پیکج میں، 90% سے زیادہ گرمی پیکیج کے ذریعے چپ کے اوپر سے ہیٹ سنک تک پھیل جاتی ہے، عام طور پر اینوڈائزڈ ایلومینیم پر مبنی عمودی پنکھے۔ ایک تھرمل انٹرفیس میٹریل (TIM) اعلی تھرمل چالکتا کے ساتھ چپ اور پیکج کے درمیان حرارت کی منتقلی میں مدد کے لیے رکھا جاتا ہے۔ CPUs کے لیے اگلی نسل کے TIMs میں شیٹ میٹل کے مرکب جیسے انڈیم اور ٹن کے ساتھ ساتھ سلور سینٹرڈ ٹن شامل ہیں، جن کی چالکتا بالترتیب 60W/mK اور 50W/mK ہے۔

جیسا کہ مینوفیکچررز SoCs کو chiplet پروسیس میں منتقل کرتے ہیں، مختلف خصوصیات اور موٹائی کے ساتھ مزید TIMs کی ضرورت ہوتی ہے۔

امکور میں آر اینڈ ڈی کے سینئر ڈائریکٹر ینگ ڈو کیون نے کہا کہ اعلی کثافت والے نظاموں کے لیے، چپ اور پیکج کے درمیان TIM کی تھرمل مزاحمت پیکڈ ماڈیول کی مجموعی تھرمل مزاحمت پر زیادہ اثر ڈالتی ہے۔ طاقت کے رجحانات ڈرامائی طور پر بڑھ رہے ہیں، خاص طور پر منطق کے لیے، اس لیے ہم قابل اعتماد سیمی کنڈکٹر آپریشن کو یقینی بنانے کے لیے جنکشن کے درجہ حرارت کو کم رکھنے پر توجہ دیتے ہیں۔ اگرچہ TIM سپلائرز اپنے مواد کے لیے تھرمل مزاحمتی اقدار فراہم کرتے ہیں، لیکن حقیقت میں، چپ سے لے کر پیکج تک تھرمل مزاحمت (θjc) خود اسمبلی کے عمل سے متاثر ہوتی ہے، بشمول چپ اور TIM کے درمیان بانڈنگ کوالٹی اور رابطہ کا علاقہ۔ انہوں نے نوٹ کیا کہ کنٹرول شدہ ماحول میں اصل اسمبلی ٹولز اور بانڈنگ میٹریل کے ساتھ ٹیسٹنگ اصل تھرمل کارکردگی کو سمجھنے اور کسٹمر کی اہلیت کے لیے بہترین TIM کا انتخاب کرنے کے لیے اہم ہے۔

فرق ایک خاص مسئلہ ہے۔ سیمنز پیری نے کہا، "پیکیجنگ میں مواد کا استعمال ایک بڑا چیلنج ہے۔ ہم پہلے ہی جانتے ہیں کہ چپکنے والی یا گلو کی مادی خصوصیات، اور جس طرح سے مواد سطح کو گیلا کرتا ہے، مواد کی طرف سے پیش کردہ مجموعی تھرمل مزاحمت کو متاثر کرے گا، یعنی رابطے کی مزاحمت کا بہت کچھ اس بات پر منحصر ہے کہ کس طرح سے مادہ حرارت کے بہاؤ کے خلاف اضافی مزاحمت پیدا کرتا ہے۔"

 

05 گرمی کے مسائل سے مختلف طریقے سے نمٹنا

چپ بنانے والے گرمی کی کھپت کے مسئلے کو حل کرنے کے طریقے تلاش کر رہے ہیں۔ Keysight Technologies کے میموری سلوشنز پروگرام مینیجر رینڈی وائٹ نے کہا: "پیکجنگ کا طریقہ وہی رہتا ہے، اگر آپ چپ کے سائز کو ایک چوتھائی تک کم کرتے ہیں، تو اس کی رفتار بڑھ جائے گی۔ سگنل کی سالمیت میں کچھ فرق ہو سکتا ہے۔ بیرونی پیکیج کیز کی وجہ سے۔ بانڈنگ وائر چپ میں جاتا ہے، اور تار جتنا زیادہ ہوتا ہے، اس میں برقی کارکردگی کا حصہ ہوتا ہے، تو، آپ اتنی چھوٹی جگہ میں اتنی توانائی کیسے ضائع کرتے ہیں، یہ ایک اور اہم پیرامیٹر ہے جس کا مطالعہ کرنے کی ضرورت ہے۔ "

اس کی وجہ سے بظاہر ہائبرڈ بانڈنگ پر توجہ مرکوز کرتے ہوئے جدید بانڈنگ ریسرچ میں نمایاں سرمایہ کاری ہوئی ہے۔ لیکن ہائبرڈ بانڈنگ مہنگی ہے اور یہ صرف اعلیٰ کارکردگی والے پروسیسر قسم کی ایپلی کیشنز تک محدود ہے، TSMC فی الحال اس ٹیکنالوجی کی پیشکش کرنے والی واحد کمپنیوں میں سے ایک ہے۔ تاہم، سلیکون پر CMOS چپس یا گیلیم نائٹرائڈ پر فوٹان کے امتزاج کے امکانات امید افزا ہیں۔

06 نتیجہ

اعلی درجے کی پیکیجنگ کا ابتدائی خیال یہ ہے کہ یہ لیگو اینٹوں کی طرح کام کرے گا - مختلف پروسیس نوڈس پر تیار کردہ چپس کو ایک ساتھ جمع کیا جا سکتا ہے اور تھرمل مسائل کو دور کیا جائے گا۔ لیکن یہ ایک قیمت پر آتا ہے. کارکردگی اور طاقت کے نقطہ نظر سے، سگنل کو سفر کرنے کے لیے درکار فاصلہ اہم ہے، اور سرکٹس جو ہمیشہ آن رہتے ہیں، یا جزوی طور پر کھلے رہنے کی ضرورت ہوتی ہے، وہ تھرمل کارکردگی کو متاثر کر سکتے ہیں۔ پیداوار اور لچک بڑھانے کے لیے ایک چپ کو متعدد حصوں میں تقسیم کرنا اتنا آسان نہیں جتنا لگتا ہے۔ پیکیج میں ہر ایک دوسرے سے منسلک ہونا ضروری ہے، اور ہاٹ سپاٹ اب ایک چپ تک محدود نہیں ہیں۔

ابتدائی ماڈلنگ ٹولز کو چپس کے مختلف مجموعوں کو مسترد کرنے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے، جس سے پیچیدہ ماڈیولز کے ڈیزائنرز کو بڑا فروغ ملتا ہے۔ مسلسل بڑھتی ہوئی بجلی کی کثافت کے اس دور میں، تھرمل سمولیشن اور نئے TIMs کا تعارف ضروری رہے گا۔