Desafios de Gestão Térmica para o Empacotamento de Semicondutores 2.5D e 3D
: Em 2025, o empacotamento de semicondutores 2.5D, como a tecnologia CoWoS da TSMC, continuará a ser a abordagem dominante para chips de alto desempenho como o B200. Para impulsionar ainda mais o desempenho, especialmente em termos de largura de banda e latência, a indústria está a concentrar-se cada vez mais na transição para o empacotamento 3D. Ao contrário das arquiteturas 2.5D, onde o chip lógico e a memória de alta largura de banda (HBM) empilhada verticalmente são colocados lado a lado num interposer partilhado, o empacotamento 3D envolve o empilhamento de um chip ativo diretamente sobre o outro. Esta integração vertical, embora promissora em termos de ganhos de desempenho, apresenta desafios significativamente maiores em termos de gestão térmica e energética.
Desafios de Alimentação em Circuitos Integrados 3D
: Nos circuitos integrados 3D, o fornecimento de energia torna-se muito mais complexo do que nos circuitos 2D devido ao aumento da densidade de corrente, ao acesso limitado aos pinos e à utilização de interligações verticais. Uma pilha 3D de k camadas consome aproximadamente k vezes a corrente de um chip 2D na mesma área, mas os pinos de alimentação e as características do encapsulamento não escalam na mesma proporção. Este desequilíbrio leva a múltiplos desafios. Os TSVs (triângulos de superfície tridimensionais) utilizados na fonte de alimentação introduzem uma resistência considerável, normalmente de cerca de 1 Ω por pilha, resultando numa maior queda de tensão IR e dificultando a manutenção de uma tensão de alimentação estável. A energia é geralmente fornecida através da camada inferior, que deve suportar a corrente cumulativa de toda a pilha, tornando-a particularmente vulnerável à queda de tensão e ao ruído dinâmico. Isto é ainda mais complicado pelo facto de os blocos de computação com elevado consumo de energia estarem geralmente localizados junto ao dissipador de calor, também na camada inferior. Enquanto isso, o desacoplamento eficaz é dificultado pelo espaço livre limitado, uma vez que os TSVs e o encaminhamento denso reduzem a área disponível para a colocação de condensadores de desacoplamento. Estes efeitos combinados agravam as flutuações de tensão em toda a pilha, aumentando a variabilidade de desempenho, a incerteza de temporização e os riscos de fiabilidade, especialmente em condições de pico de carga.
Desafios Térmicos em Circuitos Integrados 3D:
A gestão térmica é um dos estrangulamentos mais críticos em circuitos integrados 3D. Ao contrário dos projetos 2D, onde o calor se dissipa lateralmente e para cima em direção ao dissipador, as estruturas 3D são compostas por chips mais finos que limitam a propagação lateral do calor. Além disso, os chips intermédios são propensos à acumulação de calor, uma vez que estão mais afastados do dissipador e têm caminhos de escape térmico limitados. Ademais, o caminho de remoção de calor vertical é limitado pela baixa condutividade térmica dos materiais entre os chips, como camadas dielétricas e adesivos de ligação. Isto resulta em pontos quentes que degradam o desempenho e reduzem a fiabilidade devido ao aumento da fuga de corrente e da tensão nas interligações. Outro problema crucial é a proximidade de blocos lógicos de alta potência e memória, o que pode levar a um acoplamento térmico significativo entre as camadas, complicando ainda mais o design térmico. Os métodos de arrefecimento convencionais falham frequentemente em alcançar eficazmente as camadas internas, o que exige a consideração de técnicas alternativas, tais como TSVs térmicos e arrefecimento microfluídico de chips. No entanto, estes métodos apresentam as suas próprias desvantagens em termos de complexidade de projeto, custo e desafios de integração.
Inovações em Materiais para uma Transferência de Calor mais Eficiente
Para promover uma gestão térmica mais eficiente em embalagens de semicondutores 2.5D e 3D, a indústria está a explorar ativamente diversas soluções inovadoras. Uma área de grande interesse é o desenvolvimento de materiais avançados de interface térmica (TIMs). O relatório da IDTechEx, “Gestão Térmica para Embalagens de Semicondutores Avançadas 2026–2036: Tecnologias, Mercados e Oportunidades”, fornece uma análise detalhada das tecnologias TIM, particularmente TIM1 e a categoria emergente TIM1.5. Estes materiais incluem opções como metal líquido, folhas de índio, folhas de grafeno e géis térmicos de última geração com condutividade térmica melhorada.
Em 2025, o X23 da Shin-Etsu será ainda um material TIM1 amplamente adotado para aplicações de matriz de esferas (BGA). No entanto, com o aumento da capacidade de design térmico dos chips avançados, a indústria está a virar-se cada vez mais para os materiais TIM1 e TIM1.5 mais recentes que oferecem um desempenho superior. Entre os candidatos promissores estão o metal líquido, os materiais à base de grafeno e os géis térmicos com cargas altamente condutoras.
Em paralelo, observa-se uma transição da estrutura tradicional de duas camadas de TIM (TIM1 e TIM2) para uma única camada de TIM1.5. Esta abordagem visa reduzir a resistência térmica, minimizando as interfaces entre os materiais. Embora isto possa reduzir o número de camadas de TIM utilizadas, não reduz necessariamente o mercado como um todo, dado que os materiais TIM1.5 tendem a ter um custo unitário mais elevado devido às suas exigentes especificações técnicas. A IDTechEx prevê que o mercado combinado de TIM1 e TIM1.5 cresça para aproximadamente 500 milhões de dólares até 2036, evidenciando uma significativa oportunidade de negócio.
Para além dos TIMs, outra área promissora de investigação é a utilização de diamante, particularmente diamante revestido de cobre, como material de substrato para encapsular semicondutores de alta tecnologia.
Arrefecimento líquido, arrefecimento por imersão e arrefecimento microfluídico:
para além das inovações em materiais, o arrefecimento líquido ativo está a tornar-se uma tendência cada vez mais importante na gestão térmica avançada. Em data centers de alto desempenho, tecnologias como o arrefecimento direto no chip e o arrefecimento por imersão já atingiram a fase de comercialização. Em particular, a adoção do arrefecimento por placa fria pela Nvidia nas suas configurações GB200 e NVLink72 no ano passado consolidou ainda mais a sua posição como a solução dominante no curto prazo. A IDTechEx prevê que o arrefecimento por placa fria continuará a ser a principal abordagem durante pelo menos os próximos dois a três anos.
No entanto, tanto o arrefecimento por placa fria como o arrefecimento por imersão focam-se principalmente na dissipação do calor do encapsulamento do chip para o ambiente exterior. O desafio térmico mais premente reside no próprio encapsulamento, especificamente na gestão do calor gerado entre componentes empilhados verticalmente em arquiteturas de encapsulamento 3D. Até à data, a indústria ainda não estabeleceu uma solução clara para este problema.
A IDTechEx identifica o arrefecimento microfluídico como uma opção promissora para a resolução deste estrangulamento térmico interno, apesar da complexidade envolvida na sua implementação. O arrefecimento microfluídico utiliza redes intrincadas de microcanais para fazer circular o fluido refrigerante dentro da tampa do encapsulamento ou diretamente na sua estrutura. Embora estejam a ser desenvolvidas diversas configurações arquitetónicas, a tecnologia ainda enfrenta vários obstáculos, incluindo uma elevada complexidade de design e fabrico, preocupações com a escalabilidade e dados limitados sobre a fiabilidade a longo prazo.
Refrigeração e arquitetura térmica de embalagens 3D avançadas. Fonte: IDTechEx
Conclusão:
Com a transição para os encapsulamentos 3D que visam uma maior largura de banda e eficiência, várias soluções (como o fornecimento de energia pela parte traseira, reguladores de tensão integrados, TIM1 avançado, arrefecimento microfluídico, etc.) foram propostas e investigadas para lidar com os desafios térmicos. Ainda persistem desafios significativos em meados de 2025, incluindo o equilíbrio entre a densidade de TSV, a complexidade de fabrico e a taxa de defeitos, bem como o equilíbrio entre o arrefecimento microfluídico e a escalabilidade comercial. Por conseguinte, os participantes do setor estão empenhados em resolver estas questões, e o relatório da IDTechEx, "Gestão Térmica para Embalagens de Semicondutores Avançadas 2026-2036: Tecnologias, Mercados e Oportunidades", oferece uma visão abrangente das inovações potenciais na arquitetura de encapsulamento, novos materiais e estratégias de arrefecimento ativo, juntamente com a projeção de crescimento do mercado para diversas tecnologias nos próximos 10 anos.
O relatório da IDTechEx, “Gestão Térmica para Embalagens Avançadas de Semicondutores 2026-2036: Tecnologias, Mercados e Oportunidades”, oferece uma análise abrangente da transição de embalagens avançadas de semicondutores (ASP) 2.5D para 3D, os avanços nos métodos de fornecimento de energia (por exemplo, feedback e vias através do silício), os desafios térmicos associados à embalagem de circuitos integrados 3D, a utilização de materiais térmicos inovadores (como materiais de interface térmica e substratos de diamante) e a implementação de técnicas de arrefecimento líquido, incluindo sistemas de arrefecimento direto no chip, por imersão e microfluídicos.
