El disipador de calor de diamante mejora la disipación del calor en un embalaje avanzado

La inteligencia artificial, el aprendizaje profundo, la computación en la nube, la supercomputación y otras tecnologías de vanguardia impulsan avances tecnológicos, con chips de alto rendimiento como base común. Gigantes tecnológicos globales como Google, Amazon, Intel, Nvidia y AMD están profundamente involucrados en este campo; empresas chinas como Huawei, Alibaba, Baidu y Tencent también están contribuyendo activamente a la ola de inteligencia artificial. En el futuro, los chips de hardware inteligentes como CPU, GPU, ASIC y FPGA marcarán el comienzo de un crecimiento explosivo.

TrendForce informa que el aumento de las aplicaciones de IA generativa, como los chatbots, ha impulsado una expansión significativa del desarrollo de servidores de IA en 2023 y depende en gran medida de chips de alta gama. Se espera que impulse un aumento del 30% al 40% en la capacidad de producción de empaques avanzados en 2024. El empaquetado avanzado se encuentra en la intersección de la fabricación de obleas y el empaquetado y las pruebas, involucrando a empresas de IDM, fundición y empaquetado y pruebas, y el mercado está altamente concentrado. Los seis fabricantes más grandes del mundo representan más del 80% de la participación de mercado, incluidos Intel, Samsung (IDM), TSMC (OEM) y ASE, Amkor y JCET (los tres principales en empaquetado y pruebas).

El informe de Yole predice que el mercado de empaquetado avanzado alcanzará los 37.500 millones de dólares en 2021, lo que representa el 44% del total, y se espera que aumente al 53% en 2027, o alrededor de 65.000 millones de dólares. Entre ellos, el empaquetado 2.5D/3D se utiliza ampliamente en (x)PU, ASIC, FPGA, 3D NAND, HBM, CIS, etc. La tecnología de empaquetado 2.5D ha surgido desde la década de 2010, proporcionando soluciones para la integración de alta densidad de chips heterogéneos. Adopta una estructura tridimensional de tres capas: chip flip-chip de microprotuberancias, capa dieléctrica TSV que conecta las capas superior e inferior, y capa dieléctrica flip-chip al sustrato. Esta compleja estructura tiene como objetivo acortar la distancia entre chips, mejorar la velocidad de computación, la calidad de la señal y reducir el consumo de energía, y promover la tecnología de empaquetado en la era 2.5D.

HBM requiere una alta densidad de conexión, que no se puede cumplir con el FCBGA tradicional, por lo que se utiliza la tecnología de capa dieléctrica de silicio 2.5D. Los diseños de SoC son diversos y algunos utilizan un encapsulado 2.5D para integrar SerDes y el chip principal. Los chips de alta gama tienden a ser diseños de múltiples chiplets y el encapsulado 2.5D se utiliza para mejorar el rendimiento y reducir los costos. La tecnología TSV en 2.5D logra una conexión de alta densidad, que se completa en las fábricas de OSAT. Amkor lidera el encapsulado 2.5D y lanza las plataformas CoS y CoW, que se han producido en masa desde 2014 y 2018 respectivamente. CoS primero une la capa dieléctrica y luego el chip, y utiliza RDL First para mejorar el rendimiento.

El empaquetado CoW es una mejora del CoS, que utiliza obleas de silicio como sustratos. Primero se adhiere el chip a la capa dieléctrica, luego se realiza el sellado plástico a nivel de oblea y, finalmente, se conecta el sustrato. Su ventaja radica en la estructura física mejorada, que es adecuada para el empaquetado de chips y capas dieléctricas de gran tamaño. Como variante CoW sin TSV, HDFO logra una conexión de alta densidad y un bajo costo. Es una nueva tendencia en empaquetado heterogéneo y se ha aplicado a comunicaciones de red, servidores y GPU/FPGA. La tecnología CoWoS de TSMC combina CoW y oS para mejorar el rendimiento, reducir el consumo de energía y reducir el tamaño, consolidando su liderazgo en tecnología de empaquetado. Las tecnologías clave de CoWoS incluyen la integración de múltiples chips, la interconexión de capas dieléctricas de silicio de alta densidad y la disipación de calor eficiente.

El encapsulado CoWoS disipa el calor de manera eficiente, mantiene la estabilidad informática de alto rendimiento y optimiza la disipación del calor a través de disipadores de calor multicapa, TSV y estructuras complejas de gestión térmica. Su TIM sin gel mejora la conductividad térmica y la confiabilidad. En alta integración, CoWoS tiene un alto costo pero una excelente disipación del calor. CoS simplifica el encapsulado y tiene baja resistencia térmica, pero la disipación del calor es limitada a alta potencia, lo que requiere medidas de disipación del calor adicionales. Los materiales disipadores de calor de diamante se han convertido en un nuevo favorito en la gestión térmica debido a su excelente conductividad térmica y otras características.

En la actualidad, los materiales semiconductores como Si, SiC y GaN tienen una conductividad térmica limitada y no pueden satisfacer las necesidades de disipación de calor de los dispositivos electrónicos de alta potencia. El diamante se ha convertido en el foco de las futuras soluciones de disipación de calor con su conductividad térmica ultraalta, y tanto el monocristalino como el policristalino son superiores a los materiales tradicionales. La tecnología de conexión directa entre el diamante y el semiconductor es la clave, que afecta directamente al efecto de disipación de calor. Los métodos principales incluyen el proceso de deposición y la tecnología de unión a baja temperatura.