Влияние усовершенствованной упаковки на термическое управление чипами ADC

Передовые технологии упаковки меняют ландшафт электронного дизайна, особенно для чипов Analog-to-Digital Converter (ADC), которые находятся в центре современных систем связи, приборов и изображений. По мере того, как скорость передачи данных растет и требования к разрешению ужесточаются, тепловое поведение этих компонентов становится ограничением первого порядка на производительность системы. Управление теплом в чипах ADC больше не является запоздалым мышлением, отнесенным к системному охлаждению; теперь это критическое соображение дизайна, которое начинается на уровне упаковки. В этой статье рассматривается взаимодействие между передовыми методами упаковки и тепловым управлением чипами ADC, охватывающим основные проблемы, механизмы, с помощью которых упаковка влияет на теплообмен, и новые инновации, которые обещают сохранить эти устройства прохладными при растущих требованиях к производительности.

Растущая проблема тепла в высокопроизводительных АЦП

Принципы работы высокоскоростных АЦП по своей сути генерируют значительную тепловую энергию. Преобразователи высокого разрешения, такие как те, которые используют трубопроводные или последовательные архитектуры регистра приближения (SAR), полагаются на быструю зарядку и разрядку внутренних конденсаторов, усилители с высокой производительностью и логику плотной цифровой коррекции. Каждое событие переключения рассеивает мощность, и когда коэффициенты преобразования достигают сотен мегасэмпл в секунду или даже гигасэмплов в секунду, совокупная плотность мощности может соперничать с таковой у многих процессоров.

Накопление тепла в чипах ADC проявляется в виде нескольких эффектов, снижающих производительность. Повышение температуры соединения увеличивает токи утечки в транзисторах CMOS, что в свою очередь увеличивает потребление энергии, создавая петлю положительной обратной связи. Более критически, градиенты температуры через кристалл вызывают несоответствия в критических аналоговых блоках, таких как компараторы, эталонные буферы и схемы выборки-и-держания. Эти несоответствия напрямую переходят в динамические нелинейности, уменьшая эффективное количество битов (ENOB) и увеличивая безложные динамические диапазоны (SFDR) деградация. Надежность также страдает: длительная работа при повышенных температурах ускоряет электромиграцию в металлических межсоединениях и ухудшает диэлектрическую прочность оксидов затвора, сокращая срок службы чипа.

Традиционные подходы к управлению теплом, такие как прикрепление больших радиаторов или использование принудительного воздушного охлаждения, устраняют симптомы на системном уровне, но не решают фундаментальную проблему извлечения тепла на уровне чипа. Термическое сопротивление от транзисторного соединения к окружающей среде должно быть сведено к минимуму на каждом интерфейсе. Именно здесь передовые технологии упаковки оказывают наиболее значительное влияние.

Как продвинутая упаковка решает проблему термического управления

Усовершенствованная упаковка охватывает широкий набор методов, улучшающих электрические, механические и тепловые характеристики сборок чипов.Для чипов ADC в качестве термических игровых сменных устройств появились три основных подхода к упаковке: трехмерная укладка, крепление с помощью флип-чипа и использование высокопроизводительных материалов теплового интерфейса.

3D-упаковка и сложенные архитектуры Die

Трехмерная упаковка предполагает укладку нескольких штампов вертикально и их соединение с помощью сквозных силиконовых свай (TSV) или микро-накачек. Для ADC это часто означает разделение аналогового фронтального конца, конверсионного ядра и цифровой логики обработки на отдельные слои. Тепловое преимущество возникает из нескольких механизмов. Во-первых, распространение активной схемы по нескольким тонким слоям снижает локальную плотность мощности на слой, снижая температуру пикового перехода. Во-вторых, вертикальная укладка создает более короткий тепловой путь от горячих точек к теплораспределителю или крышке упаковки. Сами TSV, как правило, заполненные медью, действуют как эффективные тепловые каналы, оттягивая тепло от активных областей и к субстрату упаковки.

Однако 3D-упаковка также вводит тепловую связь между слоями. Горячий цифровой слой может повышать температуру чувствительного аналогового слоя, сложенного непосредственно над или под ним. Тщательное термоосознанное планирование пола и вставка тепловых TSV-решений имеют важное значение для смягчения этой проблемы. Инструменты моделирования и моделирования, которые учитывают как электрическое, так и тепловое поведение, теперь стандартны в потоке проектирования для 3D-сложенных ADC.

Упаковка с филаментом

Упаковка с флип-чипом, где штамп перевернут и прикреплен непосредственно к подложке через паяльные бугорки, предлагает различные тепловые преимущества по сравнению с традиционными проволочными упаковками. Прямое соединение металл-металл между чипом и подложкой создает термический путь с низкой устойчивостью. Поскольку шишки распределены по всей площади штампа, а не ограничены периферией, тепло может быть равномерно извлечено из поверхности чипа. Это устраняет горячие точки, которые часто образуются вблизи проволочных прокладок, где ток переполнен и резистивный нагрев является самым высоким.

Для АЦП монтаж с флип-чипом также снижает паразитную индуктивность и емкость в сигнальном пути, что улучшает высокочастотную производительность и уменьшает рассеивание мощности, вызванное отражениями сигнала.Сочетание более низких паразитов и лучшей теплопроводности делает упаковку с флип-чипом предпочтительным выбором для высокоскоростных АЦП, работающих выше скорости отбора проб 1 ГГц.

Термический интерфейс Материалы

Даже при наилучшем методе прикрепления к кристаллу существует тепловой барьер между чипом и любым внешним теплоотводом или охлаждающим раствором. Термические интерфейсные материалы (ТИМ) заполняют микроскопические зазоры и поверхностные неровности, которые удерживают воздух, плохой теплопроводник. Передовые TIM для пакетов ADC включают термические смазки, заполненные керамическими или металлическими частицами, материалы с фазовым изменением, которые смягчаются при рабочих температурах, чтобы соответствовать поверхностям, и тепловые клеи, которые связывают чип непосредственно с теплораспределителем.

Термическая проводимость TIMs значительно улучшилась, при этом некоторые материалы превысили 10 Вт/м·К, по сравнению с 0,2 Вт/м·К воздуха. Для мощных чипов ADC выбор TIM и толщины нанесения имеют решающее значение. Слой, который слишком толстый, вносит ненужное тепловое сопротивление, в то время как слой, который слишком тонкий, может не заполнять все пустоты. Процессы дозирования и составы материала продолжают развиваться для достижения согласованных толщин линий связи и надежных тепловых характеристик в течение срока службы устройства.

Дополнительные усовершенствованные методы упаковки

Помимо трех основных методов, несколько других инноваций в области упаковки способствуют управлению температурой в чипах ADC.

Встроенные охлаждающие и микрофлюидные каналы

Один из самых прямых способов удаления тепла из чипа — циркуляция теплоносителя через микроканалы, встроенные в подложку пакета или даже в сам кремний.Для АЦП, используемых в радиолокационных станциях, базовых станциях или высокоскоростном испытательном оборудовании, где плотность мощности может превышать 100 Вт/см2, микрожидкостное охлаждение может поддерживать температуру соединения значительно ниже 100°С при сохранении внешней поверхности пакета при управляемой температуре.

Интеграция микрофлюидных каналов требует тщательной конструкции, чтобы избежать вмешательства в электрическую маршрутизацию и обеспечить, чтобы охлаждающая жидкость не вызывала коррозию или утечку электроэнергии. Недавние достижения в низкотемпературных керамических (LTCC) подложках и кремниевых интерпозиторах позволили изготавливать сложные микроканальные сети непосредственно под матрицей ADC. Обычно используются диэлектрические охлаждающие жидкости, такие как фторуглероды или деионизированная вода, с системами рециркуляции замкнутого цикла, которые отбрасывают тепло через удаленный теплообменник.

Неоднородная интеграция и интерпозиторы

Гетерогенная интеграция предполагает сборку чипов, изготовленных в различных технологических процессах, в единую упаковку. Для АЦП это часто означает сопряжение высокопроизводительного аналогового кристалла, изготовленного в процессе BiCMOS или SiGe, с цифровым логическим кристаллом в масштабированном узле CMOS. Кремниевые интерпозиторы с сквозными кремниевыми сквозняками служат связующим звеном. С тепловой точки зрения интерпозитор действует как теплораспределитель, проводя тепло поперечно от аналогового кристалла и распределяя его на большую площадь перед передачей его на упаковочную подложку или крышку.

Использование интерпостера с высокой теплопроводностью, такого как кремний (около 150 Вт/м·К) или даже алмазоподобные углеродные покрытия, может значительно снизить тепловое сопротивление между матрицей ADC и внешним охлаждающим раствором. Интерпостер также позволяет использовать специальные тепловые каналы, которые соединяют горячие области матрицы непосредственно с тепловой подушкой на нижней стороне упаковки.

Преимущества усовершенствованной упаковки для тепловой производительности ADC

Кумулятивный эффект этих упаковочных инноваций заключается в измеримом улучшении тепловых характеристик чипов ADC. Наиболее непосредственным преимуществом является снижение температуры пикового перехода для заданного рассеивания мощности. Это напрямую приводит к лучшей линейности, снижению шума и повышению ENOB в диапазоне рабочих температур. В полевых применениях ADC с усовершенствованной упаковкой поддерживают свою заданную производительность в более широком диапазоне температур окружающей среды, уменьшая потребность во внешней температурной компенсации или дерации.

Улучшенное управление температурой также позволяет повысить рабочие частоты. Поскольку тепловой предел повышен, ADC можно запускать на более высоких скоростях, не превышая максимальную температуру соединения. Это особенно важно в программно-определяемой радио- и 5G-инфраструктуре, где потребность в полосе пропускания непрерывно повышает скорость отбора проб. Кроме того, пониженное напряжение теплового цикла повышает надежность. Температурные колебания во время включения и выключения питания, а также во время изменений в режиме работы вызывают механическое напряжение в припоях и межсоединениях. Сохраняя колебания температуры меньшими и более однородными, усовершенствованная упаковка увеличивает среднее время между отказами (MTBF) для всей системы.

Еще одним важным преимуществом является экономия пространства и веса. Хорошо упакованный АЦП, эффективно рассеивающий тепло, может быть размещен ближе к другим чувствительным к теплу компонентам, таким как точные ссылки на напряжение или малошумные усилители, не вызывая тепловых помех. В аэрокосмической, оборонной и портативной аппаратуре эта тепловая компактность позволяет иметь более плотные макеты платы и меньшие общие следы продукта.

Проблемы внедрения усовершенствованной упаковки

Несмотря на явные преимущества, внедрение передовой упаковки для чипов ADC представляет собой несколько нетривиальных задач. Процессы производства 3D-укладки, недополнителя с флип-чипом и травления микрофлюидных каналов требуют специализированного оборудования и высокой точности, что увеличивает первоначальные затраты на оснастку и производство. Для низкообъемных или нишевых приложений премия за стоимость может быть непомерной.

Управление теплом все чаще требует совместного проектирования между разработчиком чипов, инженером по упаковке и системным интегратором. Электрическое и тепловое моделирование должно выполняться вместе с точными моделями материалов упаковки, толщиной матрицы и температурными граничными условиями. Этот совместный подход добавляет сложность к циклу проектирования и требует экспертизы домена, которая может быть недоступна в каждой организации.

Испытания на надежность при тепловом напряжении также более важны для усовершенствованных упаковок. Наличие нескольких интерфейсов материалов - кремний, припой, недополнитель, TIM, теплораспределитель - создает потенциальные точки разложения или усталостного отказа при тепловом цикле. Квалификационные процессы должны включать ускоренное испытание срока службы с циклом температуры и циклом мощности, чтобы гарантировать, что тепловой путь остается неповрежденным в течение предполагаемого срока службы продукта. Стандарты, такие как JEDEC JESD22, предоставляют руководящие принципы, но конкретные условия испытаний часто должны быть адаптированы к уникальной архитектуре пакета.

Будущие направления в термоупаковке для ADC

Заглядывая в будущее, несколько направлений исследований обещают еще больше улучшить термоуправление чипами ADC за счет усовершенствованной упаковки. Одним из наиболее перспективных направлений является интеграция синтетического алмаза в качестве теплораспределителя или материала подложки. Алмаз имеет теплопроводность, превышающую 2000 Вт/м·К, более чем в десять раз превышающую теплопроводность меди. Хотя стоимость синтетического алмаза значительно снизилась в последние годы, она остается дорогой, а процессы по депонированию или связыванию слоев алмаза с кремниевыми штампами все еще созревают. Для высоконадежности, высокопроизводительных ADC, используемых в обороне и аэрокосмической промышленности, уже оцениваются алмазные теплораспределители.

Еще одним рубежом является использование аддитивного производства для создания индивидуальных, оптимизированных по топологии теплоотводов, которые непосредственно интегрированы в крышку упаковки или подложку. Эти теплоотводы могут быть спроектированы с органическими формами, которые максимизируют площадь поверхности и воздушный поток в регионах, где тепловое моделирование показывает наибольшую потребность. 3D-печатные металлические конструкции с внутренней решетчатой геометрией могут обеспечить как высокую теплопроводность, так и структурное соответствие для учета коэффициента несоответствия теплового расширения (CTE).

Активное охлаждение на уровне упаковки с использованием миниатюрных пьезоэлектрических или электростатических насосов для циркуляции охлаждающей жидкости по микромасштабным каналам также находится в стадии активной разработки. Эти насосы могут быть изготовлены с использованием процессов MEMS и встроены непосредственно в подложку упаковки, создавая автономный охлаждающий модуль, который не требует внешней сантехники. Для АЦП в мобильных или удаленных установках, где обычное охлаждение нецелесообразно, такое встроенное активное охлаждение может обеспечить уровни производительности, которые в настоящее время достижимы только в системах, установленных на стойках.

Наконец, продолжающееся развитие инструментов теплового моделирования, которые работают непосредственно с программным обеспечением электронной автоматизации проектирования (EDA), облегчит разработчикам ADC включение тепловых соображений с самых ранних этапов проектирования. Эти инструменты позволят быстро исследовать варианты упаковки - количество слоев, плотность TSV, материалы TIM, геометрию теплоотвода - без необходимости нескольких итераций прототипов. По мере того, как эти инструменты станут более доступными, внедрение передовой упаковки для управления тепловой энергией ускорится в более широком диапазоне продуктов ADC.

Заключение

Передовая упаковка перешла от вспомогательной роли к первичному определителю тепловых характеристик в чипах ADC. Такие методы, как 3D-укладка, крепление с помощью перевернутого чипа, высокопроводящие термоинтерфейсные материалы, встроенное микрофлюидное охлаждение и гетерогенная интеграция на кремниевых интерпозиторах, способствуют снижению теплового сопротивления между транзисторным соединением и окружающей средой. Преимущества включают более высокие рабочие частоты, лучшую аналоговую производительность, снижение теплового напряжения и более компактные конструкции системы.

Проблемы остаются в форме стоимости, сложности производства и необходимости совместного проектирования в электрических и тепловых областях. Однако по мере развития материаловедения и производственных процессов барьеры для принятия неуклонно снижаются. Для инженеров, проектирующих системы, которые зависят от высокоскоростных высокоточных ADC, понимание тепловых последствий выбора упаковки теперь является основной компетенцией, а не нишевой специальностью. Следующее поколение чипов ADC не только преобразует аналоговые сигналы с большей точностью, но и будет обрабатывать тепловые требования завтрашнего дня. интенсивные приложения данных через продуманный, передовой дизайн упаковки.