Проблемы управления тепловыми процессами в 2.5D и 3D полупроводниковой упаковке
: В 2025 году 2.5D полупроводниковая упаковка, такая как технология CoWoS от TSMC, останется доминирующим подходом для высокопроизводительных чипов, таких как B200. Для дальнейшего повышения производительности, особенно с точки зрения пропускной способности и задержки, отрасль все больше фокусируется на переходе к 3D-упаковке. В отличие от 2.5D-архитектур, где логический чип и вертикально расположенная высокоскоростная память (HBM) размещаются бок о бок на общей подложке, 3D-упаковка предполагает размещение одного активного чипа непосредственно поверх другого. Эта вертикальная интеграция, хотя и многообещающа с точки зрения повышения производительности, представляет собой значительно большие проблемы с точки зрения управления тепловыми процессами и энергопотреблением.

Проблемы питания в 3D-интегральных схемах
: В 3D-интегральных схемах подача питания становится намного сложнее, чем в 2D-схемах, из-за повышенной плотности тока, ограниченного доступа к выводам и использования вертикальных межсоединений. k-слойный 3D-стек потребляет примерно в k раз больше тока, чем 2D-чип на той же площади, но выводы питания и ресурсы корпуса не масштабируются соответствующим образом. Этот дисбаланс приводит к множеству проблем. Используемые в источнике питания сквозные межсоединения (TSV) вносят значительное сопротивление, обычно около 1 Ом на каждый стек, что приводит к большему падению напряжения IR и затрудняет поддержание стабильного напряжения питания. Питание обычно подается через нижний слой, который должен пропускать суммарный ток всего стека, что делает его особенно уязвимым к падению напряжения и динамическим шумам. Ситуация еще больше осложняется тем, что энергоемкие вычислительные блоки часто располагаются рядом с радиатором, также на нижнем слое. Между тем, эффективная развязка затруднена ограниченным свободным пространством, поскольку TSV и плотная трассировка уменьшают площадь, доступную для размещения развязывающих конденсаторов. Эти совокупные эффекты усугубляют колебания напряжения в стеке, увеличивая изменчивость производительности, неопределенность синхронизации и риски для надежности, особенно в условиях пиковой нагрузки.

Проблемы теплоотвода в 3D-интегральных схемах:
Управление тепловыми процессами является одним из наиболее критических узких мест в 3D-интегральных схемах. В отличие от 2D-конструкций, где тепло рассеивается вбок и вверх к радиатору, 3D-стеки состоят из более тонких чипов, что ограничивает боковое распространение тепла. Кроме того, промежуточные чипы склонны к накоплению тепла, поскольку они находятся дальше от радиатора и имеют ограниченные эффективные пути отвода тепла. Более того, вертикальный путь отвода тепла ограничен низкой теплопроводностью межчиповых материалов, таких как диэлектрические слои и клеи для склеивания. Это приводит к образованию горячих точек, которые ухудшают производительность и снижают надежность из-за увеличения утечки и напряжения в межсоединениях. Еще одна ключевая проблема — близость мощных логических блоков и памяти, что может привести к значительной тепловой связи между слоями, еще больше усложняя тепловую конструкцию. Традиционные методы охлаждения часто не обеспечивают эффективного охлаждения скрытых слоев, что требует рассмотрения альтернативных методов, таких как тепловые сквозные межсоединения (TSV) и микрофлюидное охлаждение чипов. Однако эти методы имеют свои недостатки с точки зрения сложности проектирования, стоимости и проблем интеграции.

Инновации в материалах для более эффективной теплопередачи.
Для обеспечения более эффективного управления тепловыми процессами как в 2,5D, так и в 3D полупроводниковой упаковке, отрасль активно изучает ряд инновационных решений. Ключевым направлением является разработка передовых теплопроводящих материалов (TIM). В отчете IDTechEx «Управление тепловыми процессами в передовой полупроводниковой упаковке 2026–2036: технологии, рынки и возможности» представлен подробный анализ технологий TIM, в частности TIM1 и новой категории TIM1.5. Эти материалы включают такие варианты, как жидкий металл, индиевая фольга, графеновая фольга и термогели следующего поколения с улучшенной теплопроводностью.

В 2025 году материал X23 от Shin-Etsu по-прежнему будет широко использоваться в качестве термоинтерфейсного материала TIM1 для корпусов BGA (ball grid array). Однако с ростом тепловой мощности современных чипов отрасль все чаще обращается к более новым материалам TIM1 и TIM1.5, обеспечивающим более высокую производительность. Перспективными кандидатами являются жидкий металл, материалы на основе графена и термогели с высокопроводящими наполнителями.

Параллельно происходит переход от традиционной двухслойной структуры термоинтерфейсных материалов (TIM1 и TIM2) к однослойной структуре TIM1.5. Такой подход направлен на снижение теплового сопротивления за счет минимизации межфазных границ материалов. Хотя это может уменьшить количество используемых слоев термоинтерфейсных материалов, это не обязательно приведет к сокращению общего рынка, поскольку материалы TIM1.5, как правило, имеют более высокую себестоимость единицы продукции из-за их высоких технических характеристик. IDTechEx прогнозирует, что совокупный рынок TIM1 и TIM1.5 вырастет примерно до 500 миллионов долларов США к 2036 году, что указывает на значительные возможности для бизнеса.

Помимо термоинтерфейсных материалов, еще одним перспективным направлением исследований является использование алмаза, в частности алмаза с медным покрытием, в качестве подложки для инкапсуляции высококачественных полупроводников.

Жидкостное охлаждение, иммерсионное охлаждение и микрофлюидное охлаждение:
помимо инноваций в материалах, активное жидкостное охлаждение становится все более важной тенденцией в области передового управления тепловыми процессами. В высокопроизводительных центрах обработки данных такие технологии, как прямое охлаждение чипа и иммерсионное охлаждение, уже достигли стадии коммерциализации. В частности, внедрение компанией Nvidia охлаждения с помощью холодных пластин в своих конфигурациях GB200 и NVLink72 в прошлом году еще больше укрепило ее позиции в качестве доминирующего решения в краткосрочной перспективе. IDTechEx ожидает, что охлаждение с помощью холодных пластин останется ведущим подходом как минимум в течение следующих двух-трех лет.

Однако как охлаждение с помощью холодной пластины, так и иммерсионное охлаждение в первую очередь направлены на рассеивание тепла от корпуса микросхемы в окружающую среду. Наиболее актуальная проблема теплоотвода заключается в самом корпусе, а именно в управлении теплом, выделяемым между вертикально расположенными компонентами в 3D-архитектуре корпусов. На сегодняшний день в отрасли еще не найдено четкого решения этой проблемы.

IDTechEx определяет микрофлюидное охлаждение как перспективный вариант решения проблемы внутреннего теплового узкого места, несмотря на сложность его реализации. Микрофлюидное охлаждение использует сложные сети микроканалов для циркуляции охлаждающей жидкости внутри крышки корпуса или непосредственно внутри его конструкции. Хотя разрабатываются различные архитектурные конфигурации, технология по-прежнему сталкивается с рядом препятствий, включая высокую сложность проектирования и производства, проблемы масштабируемости и ограниченные данные о долгосрочной надежности.

Архитектура системы охлаждения и теплоотвода современных 3D-пакетов. Источник: IDTechEx

Заключение:
В связи с переходом на 3D-упаковку для увеличения пропускной способности и эффективности, было предложено и исследовано множество решений (например, подача питания с тыльной стороны, интегрированные стабилизаторы напряжения, усовершенствованные термоинтерфейсные материалы TIM1, микрофлюидное охлаждение и т. д.) для решения тепловых проблем. К середине 2025 года сохраняются значительные проблемы, включая компромисс между плотностью сквозных межсоединений (TSV), сложностью производства и частотой дефектов, а также баланс между микрофлюидным охлаждением и коммерческой масштабируемостью. Поэтому участники отрасли прилагают значительные усилия для решения этих проблем, и отчет IDTechEx «Управление тепловыми процессами в передовой полупроводниковой упаковке 2026-2036: технологии, рынки и возможности» предоставляет всесторонний обзор потенциальных инноваций в архитектуре упаковки, новых материалов и стратегий активного охлаждения, а также прогнозируемый рост рынка различных технологий в течение следующих 10 лет.

Отчет IDTechEx «Управление тепловыми процессами в передовой полупроводниковой упаковке 2026-2036: технологии, рынки и возможности» предлагает всесторонний анализ перехода от 2,5D к 3D передовой полупроводниковой упаковке (ASP), достижений в методах подачи питания (например, обратная подача и сквозные кремниевые переходные отверстия), тепловых проблем, связанных с 3D-упаковкой интегральных схем, использования инновационных тепловых материалов (таких как теплопроводящие материалы и алмазные подложки) и внедрения методов жидкостного охлаждения, включая системы охлаждения непосредственно на кристалле, иммерсионные и микрофлюидные системы охлаждения.