Термальный медный столбик

Термический медный столбик , также известный как «термический столбик», представляет собой термоэлектрическое устройство, изготовленное из тонкопленочного термоэлектрического материала, встроенное в межсоединения флип-чипа (в частности, медные столбики для пайки ) для использования в электронике и оптоэлектронной упаковке, в том числе: упаковка ЦП и ГП интегральных схем (чипов), лазерных диодов и полупроводниковых оптических усилителей (SOA). В отличие от обычных выступов припоя, которые обеспечивают электрический путь и механическое соединение с корпусом, тепловые выступы действуют как твердотельные тепловые насосы и добавляют функцию управления температурой локально на поверхности чипа или к другому электрическому компоненту. Диаметр термовыступа составляет 238 мкм, высота 60 мкм.

Термический удар использует термоэлектрический эффект , который представляет собой прямое преобразование разницы температур в электрическое напряжение и наоборот. Проще говоря, термоэлектрическое устройство создает напряжение, когда на каждой стороне разная температура, или когда на него подается напряжение, оно создает разницу температур. Этот эффект можно использовать для выработки электроэнергии, измерения температуры, охлаждения или нагревания объектов.

Для каждого выступа происходит термоэлектрическое охлаждение (TEC), когда через него проходит ток. Термический выступ отводит тепло от одной стороны устройства и передает его на другую, когда ток проходит через материал. Это известно как эффект Пельтье . ^[1] Направление нагрева и охлаждения определяется направлением тока и знаком основного носителя электрического тока в термоэлектрическом материале. С другой стороны, выработка термоэлектрической энергии (ТЭГ) происходит, когда тепловой удар подвергается температурному градиенту (т. е. верхняя часть горячее нижней). В этом случае устройство генерирует ток, преобразуя тепло в электроэнергию. Это называется эффектом Зеебека . ^[1]

Термический удар был разработан компанией Nextreme Thermal Solutions как метод интеграции функций активного управления температурой на уровне чипа таким же образом, каким сегодня транзисторы, резисторы и конденсаторы интегрируются в традиционные схемы. Компания Nextreme выбрала медный столбик в качестве стратегии интеграции из-за его широкого признания Intel , Amkor и другими лидерами отрасли в качестве метода подключения микропроцессоров и других передовых электронных устройств к различным поверхностям во время процесса, называемого «флип-чип». Термический барьер может быть интегрирован как часть стандартного процесса изготовления флип-чипа (рис. 1) или интегрирован в виде отдельных устройств.

Эффективность термоэлектрического устройства измеряется количеством передаваемого (или перекачиваемого) тепла, деленного на количество электрической энергии, подаваемой для перемещения этого тепла. Это соотношение называется коэффициентом полезного действия или COP и является измеряемой характеристикой термоэлектрического устройства. КПД обратно пропорционален разнице температур, которую производит устройство. Когда вы перемещаете охлаждающее устройство дальше от источника тепла, паразитные потери между охладителем и источником тепла требуют дополнительной мощности охлаждения: чем дальше расстояние между источником и охладителем, тем больше требуется охлаждение. По этой причине охлаждение электронных устройств наиболее эффективно, когда оно происходит ближе всего к источнику выделения тепла.

Использование термического барьера не заменяет охлаждение на уровне системы, которое по-прежнему необходимо для отвода тепла из системы; скорее, он представляет принципиально новую методологию достижения однородности температуры на уровне чипа и платы. Таким образом, общее управление температурным режимом системы становится более эффективным. Кроме того, в то время как традиционные решения для охлаждения масштабируются вместе с размером системы (более крупные вентиляторы для более крупных систем и т. д.), температурный удар может масштабироваться на уровне чипа за счет увеличения количества температурных ударов в общей конструкции.

Рисунок 1. Термические и электрические датчики, интегрированные в одну подложку.

Краткая история упаковки припоя и флип-чипа/чипов

Технология пайки (процесс соединения чипа с подложкой без короткого замыкания с помощью припоя) была впервые задумана и реализована IBM в начале 1960-х годов. Разработаны три варианта данного вида пайки. Первый заключался в том, чтобы вставить медные шарики в выступы припоя, чтобы обеспечить надежное зазор. Второе решение, разработанное Delco Electronics (General Motors) в конце 1960-х годов, было похоже на встраивание медных шариков, за исключением того, что в конструкции использовался жесткий серебряный выступ. Выступ обеспечивал положительное сопротивление и прикреплялся к подложке с помощью припоя, который был напечатан на подложке методом трафаретной печати. Третье решение заключалось в использовании экранированной стеклянной перегородки рядом с кончиками электродов в качестве «заградителя», предотвращающего стекание шарика припоя по электроду. К тому времени технология Ball Limiting Metallurgy (BLM) с системой припоя с высоким содержанием свинца (Pb) и медным шариком доказала свою эффективность. Поэтому шарик просто удаляли, а процесс испарения припоя продолжался, образуя чистые выступы припоя высотой примерно 125 мкм. Эта система стала известна как соединение чипа с управляемым разрушением (C3 или C4).

До середины 1990-х годов этот тип сборки флип-чипов практиковался почти исключительно IBM и Delco. Примерно в это же время Delco стремилась коммерциализировать свою технологию и основала Flip Chip Technologies вместе с Kulicke & Soffa Industries в качестве партнера. В то же время MCNC (разработавшая гальванизированную версию процесса IBM C4) получила финансирование от DARPA на коммерциализацию своей технологии. Эти две организации вместе с APTOS (Advanced Plating Technologies on Silicon) сформировали зарождающийся рынок аутсорсинга.

В это же время компании начали рассматривать возможность сокращения или оптимизации своей упаковки: от более ранних пакетов с несколькими чипами на керамике, для поддержки которых IBM изначально разработала C4, до так называемых пакетов Chip Scale Package (CSP). Существовал ряд компаний, разрабатывающих продукцию в этой области. Эти продукты обычно можно отнести к одному из двух лагерей: либо они представляли собой уменьшенные версии многочипового керамического корпуса (одним из примеров которого является корпус Tessera); или это были упрощенные версии, разработанные Unitive Electronics и др. (там где проводка пакета была перенесена на чип, и после бампинга они были готовы к размещению).

Одна из проблем с корпусом типа CSP (который предназначался для пайки непосредственно к FR4 или гибкой схеме) заключалась в том, что для межсоединений высокой плотности выступ мягкого припоя обеспечивал меньшее расстояние, чем диаметр выступа припоя и шаг был уменьшен. Были использованы различные решения, в том числе решение, разработанное Focus Interconnect Technology (бывшие инженеры APTOS), в котором использовался медный штырь с большим удлинением, чтобы обеспечить большее фиксированное расстояние, чем это было возможно для соединения с мягким припоем.

Сегодня флип-чип является хорошо зарекомендовавшей себя технологией, и в подавляющем большинстве сборок используются соединения мягкой пайкой. Медная стойка, разработанная для рынка CSP, нашла применение в межсоединениях высокой плотности для современных микропроцессоров и сегодня используется IBM для корпусов своих процессоров.

Удары припоя медного столба

Последние тенденции в области межсоединений высокой плотности привели к использованию медных выступов для пайки (CPB) для корпусов процессоров и графических процессоров. ^[2] CPB являются привлекательной заменой традиционным выступам припоя, поскольку они обеспечивают фиксированное расстояние, независимое от шага. Это чрезвычайно важно, поскольку большинство высококачественных продуктов заполнены недостаточно, и меньшее расстояние может создать трудности с прохождением клея для заполнения под матрицу.

На рисунке 2 показан пример CPB, изготовленного Intel и включенного, Presler среди прочего, в линейку микропроцессоров . В поперечном сечении показаны медь и медный столбик (высотой около 60 мкм), электрически соединенные через отверстие (или переходное отверстие) в пассивирующем слое чипа в верхней части изображения. Внизу находится еще одна медная дорожка на подложке корпуса с припоем между двумя медными слоями.

Рисунок 2. Выступ припаивания медной опоры Intel Presler.

Тонкопленочная термоэлектрическая технология

Тонкие пленки представляют собой тонкие слои материала толщиной от долей нанометра до нескольких микрометров. Тонкопленочные термоэлектрические материалы выращиваются обычными методами осаждения полупроводников и изготавливаются с использованием традиционных методов микропроизводства полупроводников.

Было продемонстрировано, что тонкопленочные термоэлектрики обеспечивают высокую производительность теплоотвода, которая намного превышает мощности, обеспечиваемые традиционными пеллетами ТЭ. ^[3] Преимущество тонких пленок по сравнению с объемными материалами для термоэлектрического производства выражено в уравнении 1. Здесь показано, что Qmax (максимальное тепло, откачиваемое модулем) обратно пропорционально толщине пленки L.

$Q_{max}={\frac {S^{2}T^{2}}{2\cdot R_{Total}}}={\frac {S^{2}T^{2}A}{2p_{c}L}}$ уравнение 1

Таким образом, охладители ТЭ, изготовленные из тонких пленок, могут легко иметь в 10–20 раз более высокие значения Qmax для заданной активной площади A. Это делает тонкопленочные ТЭО идеально подходящими для применений, связанных с потоками высоких тепловых потоков. В дополнение к повышенной способности к откачке тепла, использование тонких пленок позволяет реализовать поистине новую реализацию TE-устройств. Вместо объемного модуля толщиной 1–3 мм можно изготовить тонкопленочный ТЭП толщиной менее 100 мкм.

В своей простейшей форме ветвь P или N пары TE (основной строительный блок всех тонкопленочных TE-устройств) представляет собой слой тонкопленочного TE-материала со слоем припоя сверху и снизу, обеспечивающий электрическую и тепловую функциональность.

Термальный медный столбик

Термический выступ совместим с существующей инфраструктурой производства флип-чипов, расширяя возможности использования традиционных межсоединений с пайкой и обеспечивая активное интегрированное охлаждение компонента с перевернутым кристаллом с использованием широко распространенного процесса напыления медных столбов. Результатом является более высокая производительность и эффективность в рамках существующей парадигмы производства полупроводников. Термический выступ также позволяет генерировать электроэнергию внутри медных столбов для приложений по переработке энергии.

Было показано, что термические удары позволяют достичь разницы температур в 60 °C между верхним и нижним коллекторами; продемонстрирована мощность накачки, превышающая 150 Вт/см2; и при воздействии тепла продемонстрировали способность генерировать мощность до 10 мВт за удар.

Конструкция выступа из термомедной колонны

На рис. 3 показано поперечное сечение ветви ТЭ, полученное с помощью СЭМ. Здесь показано, что тепловой удар структурно идентичен CPB с дополнительным слоем, слоем TE, включенным в пакет. Добавление слоя TE превращает стандартный выступ медной стойки в термический выступ. Этот элемент при правильной электрической и термической настройке обеспечивает активную термоэлектрическую передачу тепла от одной стороны выступа к другой стороне. Направление теплопередачи определяется типом легирования термоэлектрического материала (полупроводник P-типа или N-типа) и направлением электрического тока, проходящего через материал. Этот тип термоэлектрической теплопередачи известен как эффект Пельтье. И наоборот, если позволить теплу пройти от одной стороны термоэлектрического материала к другой, в материале будет генерироваться ток в результате явления, известного как эффект Зеебека. Эффект Зеебека по сути является противоположностью эффекта Пельтье. В этом режиме электроэнергия вырабатывается за счет потока тепла в ТЭ-элементе. Структура, показанная на рисунке 3, способна работать как в режиме Пельтье, так и в режиме Зеебека, но не одновременно.

Рис. 3. Поперечный разрез медного столба Nextreme.

На рисунке 4 для сравнения показана схема типичного CPB и теплового удара. Эти конструкции схожи: обе имеют медные опоры и паяные соединения. Основное различие между ними заключается во введении термоэлектрического слоя P- или N-типа между двумя слоями припоя. Припои, используемые с CPB и термическими ударами, могут представлять собой любой из ряда обычно используемых припоев, включая, помимо прочего, Sn, эвтектический SnPb, SnAg или AuSn.

Рисунок 4. Схема, показывающая традиционный CPB рядом с выступом стойки P-типа и N-типа. Выступы P- и N-типа вместе образуют пару P/N, которая при последовательном электрическом соединении обеспечивает либо охлаждение Пельтье, либо выработку энергии Зеебека.

На рис. 5 показано устройство, оснащенное термоударом. Тепловой поток показан стрелками, обозначенными «тепло». Металлические дорожки, высота которых может достигать нескольких микрометров, могут быть сложены друг на друга или соединены друг с другом, чтобы обеспечить высокопроводящие пути для сбора тепла от нижележащей цепи и направления этого тепла к тепловому выступу.

Рисунок 5. Схема крупным планом, показывающая поток тепла через тепловой выступ. Также показаны многослойные металлические дорожки, часто используемые в сложных интегральных схемах. Эти металлические слои могут быть полезны для сбора тепла с больших площадей и направления его в тепловой выступ, уменьшая сопротивление теплового сжатия в цепи. На печатной плате имеется термическое отверстие для улучшения пути отвода тепла.

Металлические дорожки, показанные на рисунке для проведения электрического тока в термовыступ, могут быть или не быть напрямую связаны со схемой чипа. В случае наличия электрических соединений со схемой микросхемы встроенные датчики температуры и схема драйвера могут использоваться для управления тепловым ударом по замкнутому контуру для поддержания оптимальной производительности. Во-вторых, тепло, перекачиваемое тепловым выступом, и дополнительное тепло, создаваемое тепловым выступом в процессе откачки этого тепла, необходимо будет отводить в подложку или плату. Поскольку характеристики термического выступа можно улучшить, обеспечив хороший тепловой путь для отводимого тепла, выгодно предусмотреть пути с высокой теплопроводностью на задней стороне термического выступа. Подложка может представлять собой керамическую подложку с высокой проводимостью, такую как AlN, или металл (например, Cu, CuW, CuMo и т. д.) с диэлектриком. В этом случае высокая теплопроводность подложки будет служить естественным путем отвода тепла. Подложка также может представлять собой многослойную подложку, например печатную плату (PWB), предназначенную для обеспечения межсоединений высокой плотности. В этом случае теплопроводность печатной платы может быть относительно низкой, поэтому добавление тепловых отверстий (например, металлических заглушек) может обеспечить отличные пути отвода тепла.

Приложения

Термические выступы можно использовать различными способами для обеспечения охлаждения чипа и выработки электроэнергии.

Общее охлаждение

Термические выступы могут быть равномерно распределены по поверхности чипа, чтобы обеспечить равномерный эффект охлаждения. В этом случае тепловые удары могут чередоваться со стандартными выступами, которые используются для сигнала, питания и заземления. Это позволяет размещать тепловые удары непосредственно под активной схемой чипа для максимальной эффективности. Количество и плотность тепловых ударов зависят от тепловой нагрузки чипа. Каждая пара P/N может обеспечить определенную тепловую откачку (Q) при определенном перепаде температур (ΔT) и заданном электрическом токе. Датчики температуры на кристалле («встроенные» датчики) могут обеспечить прямое измерение характеристик теплового удара и обеспечить обратную связь со схемой драйвера.

Точный контроль температуры

Поскольку термические удары могут либо охлаждать, либо нагревать чип в зависимости от направления тока, их можно использовать для обеспечения точного контроля температуры чипов, которые должны работать в определенных температурных диапазонах независимо от условий окружающей среды. Например, это обычная проблема для многих оптоэлектронных компонентов.

Охлаждение горячей точки

В микропроцессорах, графических процессорах и других высокопроизводительных чипах могут возникать горячие точки, поскольку плотность мощности значительно различается в зависимости от чипа. ^[4] Эти точки доступа могут серьезно ограничивать производительность устройств. Из-за небольшого размера термовыступов и относительно высокой плотности, при которой их можно разместить на активной поверхности чипа, эти структуры идеально подходят для охлаждения горячих точек. В таком случае распределение температурных ударов может не быть равномерным. Скорее всего, тепловые удары будут сосредоточены в области горячей точки, в то время как области с более низкой плотностью тепла будут иметь меньше тепловых ударов на единицу площади. Таким образом, охлаждение от тепловых ударов применяется только там, где это необходимо, тем самым уменьшая добавленную мощность, необходимую для охлаждения, и уменьшая общие тепловые издержки в системе.

Производство электроэнергии

В дополнение к охлаждению чипа, термические удары также могут быть применены к межсоединениям с высоким тепловым потоком, чтобы обеспечить постоянный, стабильный источник энергии для приложений по улавливанию энергии. Такой источник энергии, обычно в диапазоне милливатт, может постепенно заряжать аккумуляторы для беспроводных сенсорных сетей и других систем, работающих от батарей.

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Роу, DM, изд. (2018) [1994]. Справочник CRC по термоэлектрике . ЦРК Пресс. ISBN 978-0-429-95667-6 .
^ Клёзер, Дж.; Вайсбах, Э.А. (май 2006 г.). «Высокопроизводительные корпуса с перевернутой микросхемой и выступами из медной стойки». Глобальное SMT и упаковка : 28–31. ISSN 1479-9650 .
^ Снайдер, Дж.Дж.; Сото, М.; Элли, Р.; Кестер, Д.; Коннер, Б. (2006). «Охлаждение горячих точек с помощью встроенных термоэлектрических охладителей». Двадцать второй ежегодный симпозиум IEEE по термическим измерениям и управлению полупроводниками . IEEE. стр. 135–143. дои : 10.1109/STHERM.2006.1625219 . ISBN 1-4244-0153-4 .
^ Ван, П.; Бар-Коэн, А.; Ян, Б. (2007). «Усовершенствованный термоэлектрический охладитель для охлаждения горячих точек внутри кристалла». Международная техническая конференция и выставка электронной упаковки . Том. 42789. стр. 249–258. дои : 10.1115/IPACK2007-33798 . ISBN 978-0-7918-4278-2 . ИПАК2007-33798.

Внешние ссылки

Официальные документы, статьи и рекомендации по применению

Сайед, А.; Дхандапани, К.; Николлс, Л.; Муди, Р.; Берри, CJ; Дарво, Р. (2010). «Надежность электромиграции с перевернутым чипом: сравнение структур с выступами Cu Pillar, High Pb, SnAg и SnPb» . Конференция по упаковке устройств IMAPS . Архивировано из оригинала 4 марта 2016 г.

[CRC-1] Jump up to: ^а ^б Роу, DM, изд. (2018) [1994]. Справочник CRC по термоэлектрике . ЦРК Пресс. ISBN 978-0-429-95667-6 .

[2] Клёзер, Дж.; Вайсбах, Э.А. (май 2006 г.). «Высокопроизводительные корпуса с перевернутой микросхемой и выступами из медной стойки». Глобальное SMT и упаковка : 28–31. ISSN 1479-9650 .

[3] Снайдер, Дж.Дж.; Сото, М.; Элли, Р.; Кестер, Д.; Коннер, Б. (2006). «Охлаждение горячих точек с помощью встроенных термоэлектрических охладителей». Двадцать второй ежегодный симпозиум IEEE по термическим измерениям и управлению полупроводниками . IEEE. стр. 135–143. дои : 10.1109/STHERM.2006.1625219 . ISBN 1-4244-0153-4 .

[4] Ван, П.; Бар-Коэн, А.; Ян, Б. (2007). «Усовершенствованный термоэлектрический охладитель для охлаждения горячих точек внутри кристалла». Международная техническая конференция и выставка электронной упаковки . Том. 42789. стр. 249–258. дои : 10.1115/IPACK2007-33798 . ISBN 978-0-7918-4278-2 . ИПАК2007-33798.

[1]

[2]

[3]

[4]