Инновационные методы упаковки для улучшения теплового рассеивания в реках

Аналоговые преобразователи (ADC) служат мостом между непрерывными аналоговыми сигналами и дискретными цифровыми данными, что делает их фундаментальными для современной электроники. Поскольку приложения требуют все более высоких скоростей отбора проб и битовых разрешений, ADC выталкивают больше энергии в тепло. Распределение мощности высокоскоростного ADC может достигать нескольких ватт в упаковке, которая может быть не больше ногтя. Без эффективного управления температурой это тепло ухудшает производительность, снижает надежность и может привести к катастрофическому отказу.

Промышленность ответила инновационными методами упаковки, которые выходят далеко за рамки традиционных пластиковых форм или керамических корпусов. Инженеры теперь проектируют пакеты в качестве активных тепловых каналов, интегрируя распределители тепла, передовые материалы интерфейса и даже микрофлюидные охлаждающие каналы непосредственно в корпус ADC. Эти решения позволяют следующее поколение систем сбора данных в телекоммуникациях, аэрокосмической промышленности, автомобильных радарах и медицинской визуализации. В этой статье рассматриваются тепловые проблемы, стоящие перед ADC, ограничения устаревшей упаковки и передовые методы, которые переопределяют тепловое рассеивание в высокопроизводительных преобразователях.

Критическая роль теплового менеджмента в АЦП

Тепло является неизбежным побочным продуктом работы АЦП. Каждый коммутационный транзистор, компаратор и усилитель потребляет энергию, и большая часть этой энергии преобразуется в тепловую энергию. Температура перехода АЦП напрямую влияет на ключевые параметры, такие как отношение сигнал-шум (SNR), интегральная нелинейность (INL) и дрейф смещения. Для преобразователя высокого разрешения (16 бит или более) повышение температуры всего на 10 °C может удвоить ток утечки в аналоговом переднем конце, размывая динамический диапазон.

Как тепло влияет на работу АЦП

Внутренние ссылки на полосы пропускания и сети смещения, которые устанавливают точность ADC, чувствительны к температуре. По мере нагревания матрицы эталонное напряжение дрейфует, вызывая ошибки усиления. Постоянство переключателей и транспроводность операционных усилителей также изменяются с температурой, внося искажения. В трубопроводе или последовательном приближении-регистре (SAR) ADC смещение компаратора может смещаться, что приводит к увеличению шума и даже отсутствию кодов на крайних значениях входного диапазона. Тепловые градиенты по всему матрице создают напряжение, которое может растрескивать слои пассивации или вызывать усталость припоя в пакетах шаровых сетей-маяков.

Вызовы АЦП с высокой скоростью и высоким разрешением

Современные АЦП часто сочетают высокие скорости отбора проб (сотни мегасэмпл в секунду) с высоким разрешением (12-16 бит). Эта комбинация требует значительной мощности - 12-битный 1-GSPS ADC может рассеивать 2-3 Вт. В компактной упаковке с ограниченной площадью поверхности плотность мощности может превышать 10 Вт/см2. Традиционное пассивное охлаждение изо всех сил пытается удалить тепло из таких небольших объемов. Кроме того, тенденция к многоканальным АЦП в конфигурации системы в упаковке (SiP) усложняет задачу, потому что несколько преобразователей имеют одну подложку, создавая связанные горячие точки.

Традиционные подходы к упаковке и их ограничения

В течение десятилетий АЦП упаковывались в пластиковые двухлинейные (DIP) или мелкодисперсные (SOIC) пакеты, а позже в четырехплоскостные безлидные (QFN) или шаросетевые массивы (BGA) форматы. Эти пакеты полагаются на проводимость свинцового каркаса и формовочного соединения для проведения тепла к плате или окружающему воздуху. Керамические пакеты, часто используемые для военных и космических применений, предлагают немного лучшую теплопроводность, но при более высокой стоимости и весе.

Пластиковые и керамические упаковки

В типичной упаковке QFN кристалл прикрепляется к открытой площадке, которая припоявляется к печатной плате (PCB). Тепло течет из кристалла через материал прикрепления к кристаллу, затем через матку и в медные плоскости печатной платы. Формование соединения представляет собой плохой теплопровод (обычно 0,6-1,0 Вт / м·К), поэтому открытая площадка является основным тепловым путем. Для керамической упаковки подложка может быть глиноземом (17-25 Вт / м·К), обеспечивая лучшее, но все же ограниченное распространение тепла. Оба подхода по существу пассивны: они полагаются на термическую среду системного уровня для переноса тепла.

Ограничения методов наследования

Когда рассеивание мощности превышает 1 Вт в небольшой упаковке, тепловое сопротивление перехода к амбиенту (θ ] JA ) QFN может составлять 30–50 ° C / W. В окружающей среде на 2 Вт ADC будет видеть температуру отмирания выше 155 ° C, намного превышающую большинство ограничений надежности. Горячие пятна часто образуются непосредственно под матрицей, вызывая локальные повышения температуры, которые ухудшают соответствие между компонентами на чипе. Кроме того, устаревшие пакеты не обеспечивают механизма активного охлаждения; они полностью зависят от окружающего воздушного потока и компоновки ПХБ. По мере того, как ADC мигрируют на более высокие частоты и более тонкие узлы процесса, эти термические узлы становятся ограничивающими дизайн.

Передовые методы упаковки для улучшения теплового рассеивания

Для удовлетворения тепловых потребностей современных АЦП полупроводниковая промышленность разработала комплекс инновационных упаковочных технологий. Эти методики трактуют упаковку не как пассивный корпус, а как активный элемент управления теплом. В следующих подразделах подробно описаны наиболее перспективные подходы.

Теплораспределители

Теплораспределители представляют собой тонкие слои высокотеплопроводящего материала, размещенные над или под штампом для уменьшения тепловых градиентов. Медь является наиболее распространенным выбором из-за ее высокой проводимости (~ 400 Вт / м · К) и совместимости со стандартными процессами сборки. Некоторые упаковки интегрируют медный слизень внутри соединения формы, непосредственно контактируя с задней стороной штампа. Для экстремальной производительности алмаз - либо синтетический алмаз, либо алмазоподобный углерод (DLC) - предлагает 1000-2000 Вт / м · К, но стоимость и проблемы осаждения ограничивают его использование. Графитовые листы - еще один вариант, обеспечивающий проводимость в плоскости до 800 Вт / м · К с более низкой плотностью, чем медь. Ключевым фактором проектирования является толщина и геометрия растекателя: он должен быть достаточно толстым, чтобы проводить тепло боково, но не настолько толстым, что он добавляет чрезмерное тепловое сопротивление через штамп или интерфейсные слои.

Термические интерфейсы (TIM)

Зазор между штампом и теплораспределителем - или между упаковкой и внешней теплоотводной трубой - должен быть заполнен материалом, который обеспечивает низкое тепловое сопротивление при размещении механических допусков. Традиционная силиконовая смазка заменяется усовершенствованными соединениями: термическими прокладками со встроенными металлическими частицами, материалами фазового перехода, которые плавятся и мокрые при нагревании, и жидкими металлическими TIM на основе галлия или индиевых сплавов. Теплопроводность современных TIM превышает 8 Вт/м·К для материалов фазового перехода и приближается к 30 Вт/м·К для жидких металлов. Однако они должны применяться с осторожностью, чтобы избежать пустот, которые могут создавать локализованные горячие точки, и предотвратить миграцию или коррозию с течением времени.

Интегрированные тепловые толчки

Вместо того, чтобы полагаться на отдельный теплоотвод, некоторые конструкции упаковки интегрируют плавники или микроструктуры непосредственно в крышку или подложку. Например, алюминиевая крышка с обработанными плавниками может быть связана над матрицей, увеличивая конвективную площадь поверхности. Паровые камеры - герметичные плоские камеры, содержащие рабочую жидкость - могут быть встроены в крышку упаковки для распространения тепла путем испарения и конденсации, достигая эффективной проводимости, превышающей 5000 Вт / м · К. Эти интегрированные теплоотводы уменьшают количество тепловых интерфейсов и позволяют более компактную сборку.

Микроканальное охлаждение

Для самых высоких плотностей мощности — выше 50 Вт/см2 — воздушного охлаждения может быть недостаточно, и жидкостное охлаждение становится необходимым. Микроканальное охлаждение использует фотолитографически вытравленные или лазерно-буреные каналы внутри подложки упаковки или крышки. Диэлектрическая охлаждающая жидкость (например, HFE-7500 или водяной гликоль) прокачивается по этим каналам, удаляя тепло непосредственно из окрестностей кристалла. Однофазный поток проще, но двухфазный поток (кипение) достигает гораздо более высоких коэффициентов теплопередачи. Такие компании, как Cooligy (теперь часть Emerson) разработали встроенные микроканальные охладители для полупроводниковых пакетов. Основными проблемами являются стоимость интеграции, надежность жидкостных уплотнений и необходимость внешнего насоса и радиатора. Для ADC в высокопроизводительных вычислительных или радиолокационных системах микроканальное охлаждение становится все более жизнеспособным.

3D-упаковка и сквозные силиконовые виасы (TSV)

Укладка нескольких кристаллов вертикально - объединение ADC с цифровой обработкой, памятью или даже ИС управления мощностью - может уменьшить длину сигнального пути и сохранить площадь платы. Однако нижние кристаллы в стеке термически экранированы верхними кристаллами. Расширенные 3D-пакеты используют сквозные кремниевые сквозные отверстия (TSV) и тепловые апертуры для направления тепла к крышке или подложке. Например, кристалл ADC может быть истончен и присоединен к кремниевому интерпостеру, который содержит заполненные медью TSV для проведения тепла вниз к теплоотводу. Альтернативно, исследуются тепловые TSV, заполненные алмазными распредителями тепла. Добавленная сложность тепловой конструкции компенсируется увеличением производительности от уменьшенной паразитной емкости и более короткой проводки.

Новые материалы: алмазные субстраты и графен

Алмазные подложки, либо в качестве теплораспределителя, прикрепленного к кристаллу, либо в качестве основы упаковки, обеспечивают теплопроводность в пять-десять раз выше, чем у меди. Хотя стоимость остается высокой, алмазные подложки находят применение в высококачественных АЦП для защиты и приборов. Графен - один слой атомов углерода - продемонстрировал в плоскости теплопроводность, превышающую 3000 Вт / м·К. Исследования ведутся для использования графеновых пленок в качестве тепловых интерфейсных слоев или в составе композитных упаковочных материалов. Эти материалы обещают уменьшить тепловое узкое место даже в самых маленьких упаковках.

Преимущества внедрения инновационной упаковки

Применение этих передовых методов упаковки позволяет добиться ощутимых улучшений в производительности АЦП и надежности системы. В конструкциях, в которых приоритет отдается управлению тепловыми потоками, последовательно наблюдаются следующие преимущества.

Примеры внедрения в отрасли

Ведущие производители ADC спокойно приняли многие из этих методов. Например, некоторые сверхскоростные преобразователи от Analog Devices и Texas Instruments используют открытые медные подушки с несколькими рядами паяльных шариков для проведения тепла в ПХД в сочетании с внутренними медными слизняковыми тепловыми распредвалами в переформулированной форме. В оборонном секторе спутниковые ADC часто используют керамические колонно-сетевые массивы со встроенными паровыми камерами или тепловыми ремнями, которые непосредственно соединяют штамп с радиатором космического корабля. Хотя конкретные технические детали могут быть запатентованы, эти реальные примеры демонстрируют, что технологии, описанные здесь, не являются лабораторными любопытствами, а производственными решениями.

Будущие тенденции и направления исследований

Термическое управление АЦП будет продолжать развиваться по мере сокращения технологических узлов и повышения скорости передачи данных. Несколько исследовательских потоков, вероятно, приведут к практическим инновациям в области упаковки в ближайшие пять-десять лет.

Продвинутая симуляция и тепловой дизайн

В начале цикла проектирования тепловое моделирование интегрируется с электрическим моделированием. Инструменты, которые моделируют температуру перехода на основе динамического энергопотребления, позволяют инженерам размещать распределители тепла или выбирать конструкцию упаковки до завершения компоновки. Этот подход к совместному проектированию предотвращает тепловые сюрпризы и уменьшает количество итераций прототипов.

Интеграция активного охлаждения

Микротермоэлектрические охладители (ТЭС), построенные на кристалле или внутри упаковки, демонстрируют потенциал для точечного охлаждения горячих транзисторов. В сочетании с микрофлюидными каналами эти твердотельные активные охладители могут удалять тепло у источника, не полагаясь на поток воздуха на системном уровне. Задача заключается в интеграции ТЭК в стандартный процесс сборки без добавления значительной толщины или сложности.

Оптимизированное для ИИ управление теплом

Алгоритмы машинного обучения могут прогнозировать распределение температуры в пакете и оптимизировать размещение тепловых сквозняков, распредизаторов и материалов интерфейса.По мере того, как конструкции становятся более сложными, ИИ может исследовать гораздо большее пространство проектирования, чем ручные методы, идентифицируя решения, которые минимизируют тепловое сопротивление при сохранении технологичности.

Новые диэлектрические и интерфейсные материалы

Исследования высокотеплопроводящих инкапсулантов (например, жидкокристаллических полимеров, нагруженных нитридом бора) могут улучшить термический путь через формовочное соединение. Аналогично, самоисцеляющиеся термические смазки, которые повторно влажняются после циклического питания, разрабатываются для борьбы с откачкой в течение срока службы устройства.

Заключение

Теплоотвод больше не является запоздалой мыслью в дизайне ADC - это основное ограничение, которое инженеры по упаковке должны решать с самого начала. Переход от пассивных корпусов к активному управлению тепловыми потоками с использованием распредизаторов тепла, интегрированных радиаторов тепла, микроканального охлаждения и передовых материалов позволяет следующему поколению высокоскоростных преобразователей с высоким разрешением. В то время как каждый метод несет компромиссы по стоимости и сложности, преимущества в надежности, производительности и плотности системы существенны. Поскольку приложения, требующие данных, такие как 5G, автономное вождение и ИИ в реальном времени продолжают раздвигать границы производительности ADC, инновационная упаковка останется краеугольным камнем решения.

Для дальнейшего чтения следующие ресурсы обеспечивают более глубокое техническое понимание:
Аналоговые устройства Техническая статья: Тепловое управление в высокоскоростных преобразователях данных
Отчет о применении приборов Техаса: полупроводник и усилитель; IC Пакет Тепловые метрики
Электронное охлаждение: Микроканальное охлаждение для высокой плотности энергии
IEEE Paper: Расширенное термоуправление в 3D интегральных схемах