Rincian Blog

Pentingnya Manajemen Termal yang Meningkat

Pengemasan CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate) telah menjadi pendekatan dominan untuk komputasi berkinerja tinggi, akselerator AI, dan modul memori berbandwidth tinggi. Fokus utama seringkali tertuju pada kepadatan interkoneksi, integrasi chiplet, atau penskalaan node logika. Namun, salah satu faktor paling kritis yang pada akhirnya membatasi kinerja adalah manajemen termal.

Seiring dengan terus meningkatnya kepadatan daya, solusi pendinginan tradisional seperti heat sink, kipas, atau pendingin cair tidak lagi mencukupi. Bahan yang digunakan di dalam paket—interposer, substrat, dan penyebar panas—memainkan peran yang semakin sentral. Di antara bahan-bahan yang muncul, solusi berbasis karbon dan semikonduktor wide-bandgap telah menarik perhatian, dengan substrat SiC (substrat silikon karbida) menunjukkan potensi unik karena konduktivitas termal yang tinggi, ketahanan mekanik, dan stabilitas termal.

Jalur Termal CoWoS: Memahami Tantangan

Paket CoWoS terdiri dari beberapa lapisan yang harus dilalui panas. Panas yang dihasilkan oleh die aktif pertama kali menyebar secara lateral melalui interposer, kemudian bergerak secara vertikal melalui substrat, dan akhirnya mencapai sistem pendingin eksternal. Setiap lapisan memperkenalkan resistansi termal, yang dapat menyebabkan hotspot jika tidak dikelola dengan baik.

Dalam CoWoS berbasis silikon tradisional, interposer menghantarkan panas dengan cukup baik, tetapi keterbatasan ketebalan dan bahan membatasi efektivitasnya. Seiring dengan semakin padatnya arsitektur chiplet, hotspot meningkat, dan gradien termal dapat menyebabkan tekanan mekanis. Dalam kondisi seperti itu, bahan seperti substrat SiC dapat meningkatkan penyebaran panas lateral dan mengurangi risiko deformasi akibat termal, menjembatani kesenjangan kritis dalam manajemen termal tingkat sistem.

Interposer Silikon: Kekuatan dan Keterbatasan

Interposer silikon banyak diadopsi dalam CoWoS karena proses fabrikasinya yang matang, kompatibilitas interkoneksi pitch halus, dan kinerja listrik. Untuk aplikasi daya rendah hingga sedang, interposer silikon berfungsi dengan baik, menyediakan perutean sinyal yang presisi dan dukungan mekanis.

Namun, seiring dengan penskalaan CoWoS ke aplikasi daya tinggi, keterbatasan menjadi jelas:

• Hotspot lokal mengurangi kinerja dan keandalan.

• Ketidakcocokan ekspansi termal antara interposer silikon dan die daya tinggi dapat menyebabkan tekanan dan lengkungan.

• Keterbatasan ketebalan membatasi kemampuan interposer untuk menghilangkan panas secara efektif.

Tantangan ini mengilustrasikan mengapa bahan alternatif atau pelengkap, seperti substrat SiC, diperlukan untuk mempertahankan kinerja dan keandalan dalam sistem CoWoS generasi berikutnya.

Memperluas Palet Bahan Termal

Memenuhi tuntutan termal dari pengemasan CoWoS kepadatan tinggi membutuhkan langkah melampaui silikon. Insinyur bahan sekarang berfokus pada beberapa pendekatan:

1. Penyebar Panas Lanjutan: Komposit tembaga atau tembaga-molibdenum dapat mengurangi resistansi termal lokal, tetapi seringkali memperkenalkan ketidakcocokan mekanis.

2. Bahan Antarmuka Termal (TIM) Berkinerja Tinggi: Mengurangi resistansi kontak, namun tidak dapat mengatasi batas material fundamental.

3. Keramik dan Bahan Wide-Bandgap: Bahan seperti substrat SiC menggabungkan konduktivitas termal tinggi dengan kekuatan mekanik dan stabilitas kimia, menjadikannya ideal untuk aplikasi CoWoS daya tinggi dan kepadatan tinggi.

Dengan mengintegrasikan bahan-bahan ini secara strategis, dimungkinkan untuk membuat paket CoWoS di mana setiap lapisan memiliki peran yang jelas dalam manajemen termal daripada hanya mengandalkan pendinginan eksternal.

Substrat Silikon Karbida: Peran Fungsional dalam CoWoS

Substrat SiC menawarkan beberapa keuntungan dibandingkan silikon konvensional untuk manajemen termal dalam paket CoWoS:

• Konduktivitas Termal Tinggi: Memfasilitasi penyebaran panas lateral dan vertikal, meminimalkan hotspot.

• Koefisien Ekspansi Termal (CTE) Rendah: Mengurangi tekanan mekanis selama siklus termal.

• Ketahanan Mekanik: Mempertahankan stabilitas dimensi dalam wafer tipis dan area luas.

• Stabilitas Kimia: Kompatibel dengan pemrosesan suhu tinggi yang agresif dan pengoperasian jangka panjang.

Dalam aplikasi praktis, substrat SiC dapat melayani berbagai peran:

• Sebagai interposer berkinerja tinggi, menggantikan atau melengkapi lapisan silikon.

• Sebagai lapisan penyebar panas tertanam di bawah die daya tinggi.

• Sebagai lapisan struktural untuk menstabilkan paket dan mencegah lengkungan di bawah tekanan termal.

Peran-peran ini memungkinkan interposer dan substrat berfungsi sebagai platform termal dan mekanik yang terpadu, bukan hanya sebagai lapisan interkoneksi listrik.

Implikasi Tingkat Sistem dari Bahan Termal

Bahan manajemen termal memengaruhi lebih dari sekadar pembuangan panas—mereka menentukan arsitektur sistem secara keseluruhan. Dengan menggabungkan substrat SiC atau bahan canggih serupa, desainer dapat mencapai:

• Kinerja berkelanjutan yang lebih tinggi di bawah pengoperasian daya tinggi yang berkelanjutan.

• Gradien termal yang berkurang, meningkatkan keandalan dan mengurangi tingkat kegagalan.

• Modul multi-chip yang lebih ringkas dan integrasi heterogen, memungkinkan desain inovatif dalam akselerator AI dan komputasi berkinerja tinggi.

Dengan kata lain, bahan termal sekarang bertindak sebagai enabler daripada batasan. Keputusan yang dibuat pada lapisan bahan memengaruhi tata letak paket, penempatan chiplet, dan pada akhirnya, kinerja seluruh sistem.

Pertimbangan Manufaktur untuk Substrat SiC dalam CoWoS

Meskipun substrat SiC menawarkan keuntungan yang signifikan, pengintegrasiannya ke dalam paket CoWoS memerlukan pertimbangan yang cermat:

• Penipisan Wafer: SiC lebih keras daripada silikon, membuat penipisan presisi menjadi menantang.

• Pembentukan Via: Via melalui-SiC memerlukan metode etsa atau bantuan laser yang canggih.

• Metallisasi: Mencapai adhesi logam yang kuat dan andal pada SiC memerlukan lapisan penghalang dan adhesi yang disesuaikan untuk pengoperasian suhu tinggi.

• Pengendalian Cacat: Wafer SiC area luas untuk CoWoS 12 inci harus mempertahankan keseragaman dan kepadatan cacat rendah untuk memastikan hasil.

Tantangan ini tidak sepele tetapi dapat diatasi. Solusi dalam kontrol proses, inspeksi, dan penanganan material memungkinkan penggunaan substrat SiC dalam aplikasi CoWoS berkinerja tinggi.

Menuju Arsitektur CoWoS yang Berpusat pada Material

Evolusi CoWoS menunjukkan bahwa pengemasan canggih akan semakin didorong oleh material. Konektivitas listrik tetap penting, tetapi sifat termal dan mekanik sekarang memainkan peran yang sama pentingnya. Dengan mengintegrasikan substrat SiC, paket CoWoS dapat mendukung kepadatan daya yang lebih tinggi, mengurangi risiko kegagalan termal, dan memungkinkan arsitektur integrasi heterogen yang kompleks.

Pergeseran ini juga menyoroti tren yang lebih luas dalam pengemasan semikonduktor: ilmu material, teknik mekanik, dan desain tingkat sistem sedang bertemu. Paket CoWoS di masa mendatang akan didefinisikan sama banyaknya oleh pilihan bahan termal seperti halnya oleh pitch interkoneksi atau ukuran die.

Kesimpulan

Bahan manajemen termal CoWoS tidak lagi bersifat periferal—mereka menentukan amplop operasi sistem berkinerja tinggi modern. Lapisan silikon tradisional mencapai batas termalnya, dan bahan inovatif seperti substrat SiC menyediakan jalur baru untuk penyebaran panas, stabilitas mekanik, dan keandalan jangka panjang.

Dengan memprioritaskan inovasi dan integrasi tingkat material, desainer CoWoS dapat membuka kinerja yang lebih tinggi, arsitektur yang lebih padat, dan pengoperasian yang kuat di lingkungan yang menuntut. Seiring dengan terus meningkatnya kepadatan daya, substrat SiC akan menjadi enabler utama teknologi CoWoS generasi berikutnya, menjembatani kesenjangan antara ilmu material dan kinerja tingkat sistem.