Elmas Isı Emiciler Gelişmiş Paketleme Soğutmasında Nasıl Devrim Yaratıyor?

Yapay zeka, derin öğrenme ve bulut bilişim gibi son teknolojiler, yüksek performanslı yongalara dayanmaktadır. Google ve Amazon gibi küresel teknoloji şirketlerinin yanı sıra Huawei ve Alibaba gibi Çin devleri de bu alana büyük yatırımlar yapmaktadır. Moore Yasası yavaşladıkça, yonga teknolojisi zorluklarla karşı karşıya kalmaktadır. 2,5D paketleme gibi gelişmiş paketleme teknikleri, birden fazla yonganın yoğun bir şekilde entegre edilmesine yardımcı olmaktadır. Olağanüstü termal iletkenliğiyle bilinen Diamond, yonga soğutma sorunları için ideal bir gelecek çözümü olarak görülmektedir.

Moore Yasası'nın yavaşlaması

Yarı iletkenlerin ve çiplerin icadından bu yana, ana geliştirme yönü Moore Yasası'nın genişletilmesi olmuştur. Sürekli küçülen transistör süreci, daha küçük çip boyutlarına olanak tanır, bir çipin taşıyabileceği transistör sayısını artırır, böylece çipin işlem gücünü, hızını ve performansını artırırken güç tüketimini ve maliyetini azaltır.

Yarı iletken işlem teknolojisi (kapı veya kanalın eşdeğer genişliği) nanometre ölçeğine doğru ilerledikçe, süreçteki iyileştirmeler, özellikle iki faktör nedeniyle giderek daha zorlu hale geliyor. İlk olarak, kuantum tünelleme etkileri (bir tür kısa kanal etkisi), transistör sızıntısına ve çipin daha fazla ısınmasına yol açarak çip performansının düşmesine ve daha yüksek güç tüketimine neden oluyor. Silisyum karbür gibi yeni malzemeler kullanılarak bazı laboratuvarlarda küçük ölçekli atılımlar gerçekleştirilmiş olsa da, bu gelişmeler henüz ticarileştirilebilir bir aşamaya ulaşmadı.

Bir diğer neden ise, gelişmiş işlem çiplerinin geliştirme ve üretim maliyetlerinin yüksek kalmasına karşın verimlerin düşmeye devam etmesidir. IBS ve Gartner'ın tahminlerine göre, 5 nm teknolojisinin toplam tasarım maliyeti 500 milyon dolara kadar çıkabilir. Ayrıca, EUV litografi makinelerinin, maskelerin ve diğer ekipmanların fiyatları teknolojik gelişmelerle birlikte artmaya devam ederek çip dökümhane hizmetlerinin maliyetini artırmaktadır. Dahası, Kore medyası Chosunbiz, Samsung ve TSMC'nin 3 nm yarı iletkenlerinin verimlerinin %60'ı geçmekte zorlandığını (TSMC'nin 3 nm veriminin yaklaşık %55 olduğu bildiriliyor) bildiriyor. Düşük verimler, çiplerin üretim maliyetlerini ve satış baskısını önemli ölçüde artırarak Apple'ı A17 işlemci çipi için daha düşük fiyatlar pazarlık etmeye yöneltiyor.

Moore Yasası yavaşladıkça ve çip özellik boyutları fiziksel sınırlara yaklaştıkça, gelişmiş paketleme teknolojileri Moore Yasası'nın ilerlemesini sürdürmenin önemli bir yolu haline geldi. Önde gelen üreticiler, küçük proses çiplerinin yüksek performansını, küçük boyutunu ve düşük güç tüketimini korurken maliyetleri düşürmek için paketleme teknolojilerinden yararlanmayı ve böylece gelişen proses teknolojisinin getirdiği zorlukların üstesinden gelmeyi hedefliyor.

Gelişmiş paketleme, bağlantıları optimize ederek ve farklı malzeme ve hat genişliklerini aynı paket içinde entegre ederek entegre devrelerin bağlantı yoğunluğunu ve entegrasyon seviyesini artıran son teknoloji paketleme yöntemlerini ve teknolojilerini ifade eder. Günümüzde, flip-chip (FC) yapılar, yonga seviyesinde paketleme (WLP), sistem içi paket (SiP) ve 2,5D/3D paketleme gibi paketleme yöntemleri gelişmiş paketleme olarak kabul edilmektedir. Bunlar arasında 2,5D/3D paketleme, gelişmiş paketleme alt alanlarında en hızlı büyümeyi göstermektedir.

Elmas ısı emici soğutma çözümü

1. Günümüzde Si, SiC ve GaN gibi yaygın yarı iletken malzemeler, genellikle 500 W·m⁻¹K⁻¹'yi aşmayan nispeten düşük ısıl iletkenlik değerlerine sahipken, yüksek güçlü elektronik cihazların güç yoğunluğu 1000 W·cm⁻²'ye kadar ulaşabilmektedir. Ayrıca, farklı işlevsel bölgelerdeki güç yoğunluğundaki değişim, çip içinde eşit olmayan bir sıcaklık dağılımına yol açabilir ve yerel sıcak noktalar, çipin ortalama güç yoğunluğunun 5 ila 10 katına ulaşabilir.

2. Elmas soğutucu Oda sıcaklığında 2000 W·m⁻¹K⁻¹ termal iletkenliğe, mükemmel dielektrik özelliklere ve düşük termal genleşme katsayısına sahip malzemeler, doğada bulunan en yüksek termal iletkenliğe sahip malzemeleri temsil eder. Bu malzemelerin, biriken ısıyı etkili bir şekilde dağıtarak ideal soğutma etkileri sağlaması ve yarı iletken cihazların termal yönetim yeteneklerini geliştirmek için geleceğin çözümlerinden biri olarak kabul edilmesi beklenmektedir. Hem tek kristal hem de çok kristalli elmaslar, diğer alt tabaka malzemelerine göre önemli ölçüde daha yüksek termal iletkenliklere sahiptir ve bu da onları ısı emici alt tabakalar için üstün alternatifler haline getirir.

3. Isı dağılımının etkinliği büyük ölçüde elması yarı iletken cihaza bağlamak için kullanılan yönteme bağlıdır. Elmas doğrudan yarı iletken malzemeye bağlanabilirse, yüksek ısı iletkenliğinden tam olarak yararlanabilir; bu nedenle doğrudan bağlama işlemleri araştırmaların odak noktası olmuştur. Elmas ve yarı iletken arasında doğrudan bağlamanın başlıca yöntemleri şunlardır:

Yarı iletken endüstrisinde olgunlaşmış bir süreç.