Nieuwe horizonten verkennen in HDI-ontwerp: 3D-verpakking en heterogene integratie

In het huidige tijdperk van snelle ontwikkeling van elektronische technologie worden 3D-verpakking en heterogene integratietechnologieën geleidelijk aan belangrijke transformatieve krachten in het HDI-ontwerpveld, waardoor een geheel nieuw ontwerpperspectief voor HDI-ontwerpers ontstaat. Als professionals in het HDI-veld is een grondig begrip en vakkundige toepassing van deze opkomende technologieën cruciaal voor het creëren van hoogwaardige en sterk geïntegreerde elektronische systemen.

3D-verpakkingen: een doorbraak in de traditionele stereoscopische lay-out

Onderzoek naar en toepassing van verticale interconnectietechnologie

Bij 3D-verpakking is verticale interconnectie essentieel voor efficiënte communicatie tussen verschillende chips of tussen chips en het substraat. De Through-Silicon Via (TSV)-technologie is hierbij van cruciaal belang. Ontwerpers van HDI-chips moeten de grootte, de afstand tussen de TSV's en de diepte ervan nauwkeurig kunnen bepalen. Kleinere TSV's kunnen de verpakkingsdichtheid verhogen, maar te kleine TSV's kunnen het boren bemoeilijken en de weerstand verhogen. Neem bijvoorbeeld de 3D-verpakking van high-performance computing-chips: door de diameter van de TSV's te optimaliseren tot 5-10 μm en de diepte en afstand tussen de TSV's op een verstandige manier te bepalen, kan de signaaloverdrachtssnelheid worden verhoogd, terwijl de signaalvertraging en overspraak worden verminderd. Daarnaast moeten ingenieurs bij de 3D-verpakking van meerlaagse chipstapels de verdeling van de TSV's over de verschillende lagen plannen op basis van de signaaloverdrachtseisen, om ervoor te zorgen dat signalen nauwkeurig en efficiënt tussen de lagen kunnen worden overgedragen.

Ontwerp voor warmteafvoer en thermisch beheer

Door de toenemende chipintegratie wordt 3D-verpakking geconfronteerd met ernstige uitdagingen op het gebied van warmteafvoer. Ontwerpers van HDI-chips moeten materialen met een hoge thermische geleidbaarheid selecteren voor de vulling tussen de chips en het substraat, zoals siliconenvet of keramische vulmaterialen met een hoge thermische geleidbaarheid, om de warmtegeleidingsefficiëntie te verbeteren. Tegelijkertijd is het ontwerpen van een geschikt warmteafvoerkanaal cruciaal. Bij meerlaagse chipverpakkingen kan een metalen warmteafvoerlaag in het substraat worden aangebracht en kunnen TSV's (Through-Silicon Vias) worden gebruikt om de door de chips gegenereerde warmte naar de warmteafvoerlaag te leiden, waarna deze via externe warmteafvoercomponenten wordt afgevoerd. Bijvoorbeeld, bij het 3D-verpakkingsontwerp van de radiofrequentiechips in 5G-basisstations kan deze methode de bedrijfstemperatuur van de chips effectief verlagen en hun stabiele werking onder hoge belasting garanderen.

Heterogene integratie: een innovatieve architectuur voor diverse integratie

Ontwerp voor elektrische compatibiliteit tussen verschillende chips

Heterogene integratie houdt in dat verschillende soorten chips, zoals digitale chips, analoge chips en radiofrequentiechips, in één behuizing worden geïntegreerd. Het waarborgen van de elektrische compatibiliteit tussen de verschillende chips is hierbij cruciaal voor het ontwerp. HDI-ontwerpers moeten de stroomvereisten, signaalniveaus en impedantiekarakteristieken van de verschillende chips grondig analyseren. Voor de stroomdistributie is een onafhankelijk en stabiel stroomnetwerk nodig om stroominterferentie tussen de chips te voorkomen. Wat betreft signaaloverdracht worden geschikte transmissielijnen en buffercircuits toegepast, afhankelijk van de signaalsnelheden en -typen tussen de chips. In een heterogene integratiemodule voor een autonoom rijsysteem bijvoorbeeld, bestaan ​​snelle digitale signalen en gevoelige analoge signalen naast elkaar. Door de impedantie van de transmissielijn nauwkeurig af te stemmen en signaalconditioneringscircuits toe te voegen, kunnen signaaloverspraak en -vervorming effectief worden voorkomen, waardoor de betrouwbare werking van het systeem wordt gewaarborgd.

Geschikte keuze van verpakkingsmaterialen

Heterogene integratie stelt uiteenlopende eisen aan verpakkingsmaterialen. Ingenieurs moeten de elektrische, mechanische en thermische eigenschappen van materialen uitgebreid in overweging nemen. Voor hoogfrequente signaaloverdracht moeten materialen met een lage diëlektrische constante (Dk) en een lage dissipatiefactor (Df) worden gekozen om signaalverlies te minimaliseren. Wat betreft de mechanische eigenschappen is het noodzakelijk ervoor te zorgen dat de thermische uitzettingscoëfficiënt van het verpakkingsmateriaal overeenkomt met die van de verschillende chips om verbindingsproblemen tussen de chip en de behuizing als gevolg van thermische spanning te voorkomen. Bijvoorbeeld, bij het heterogene integratieontwerp van draagbare medische apparaten, kan de keuze voor verpakkingsmaterialen met flexibiliteit en een thermische uitzettingscoëfficiënt die dicht bij die van de chip ligt, niet alleen voldoen aan de eisen van miniaturisatie en buigzaamheid van het apparaat, maar ook de stabiliteit van de chip en de behuizing garanderen in complexe gebruiksomstandigheden.

Ontwerp op systeemniveau en gezamenlijke optimalisatie

Bij heterogene integratie zijn systeemontwerp en gezamenlijke optimalisatie de sleutel tot het bereiken van algehele prestatieverbetering. Ontwerpers van HDI-systemen moeten uitgaan van een systeemgerichte aanpak en de functies, prestaties en onderlinge relaties van de verschillende chips uitgebreid in overweging nemen. Door een verstandige chipselectie en -layout kan een optimale toewijzing van systeembronnen worden bereikt. Bijvoorbeeld, in het heterogene integratieontwerp van een computerplatform voor kunstmatige intelligentie worden de rekenintensieve GPU-chips op een verstandige manier geplaatst samen met geheugenchips en snelle interfacechips voor dataopslag en -overdracht. Dit vermindert de vertraging bij de gegevensoverdracht tussen de chips en verbetert de algehele rekenefficiëntie van het systeem.

Test- en verificatiestrategieën

Vanwege de complexiteit van heterogene integratiesystemen zijn testen en verificatie essentiële schakels geworden om de betrouwbaarheid en prestaties ervan te garanderen. Ontwerpers van HDI-systemen moeten een uitgebreide teststrategie ontwikkelen, inclusief testen op chipniveau, moduleniveau en systeemniveau. Bij testen op chipniveau worden de functies en prestaties van elke chip nauwkeurig getest om te garanderen dat de chips aan de ontwerpvereisten voldoen. Testen op moduleniveau richt zich op de samenwerkingsprestaties van functionele modules die uit verschillende chips bestaan, waarbij wordt gecontroleerd of de communicatie en gegevensverwerking tussen chips binnen de module normaal verloopt. Testen op systeemniveau evalueert de prestaties van het heterogene integratiesysteem als geheel, inclusief aspecten zoals de functionele integriteit van het systeem, de kwaliteit van de signaaloverdracht en het energieverbruik.

Casusanalyse: Heterogene integratietoepassingen in smartphones

Neem smartphones als voorbeeld. Moderne smartphones integreren verschillende soorten chips, zoals applicatieprocessors, basisbandchips, radiofrequentiechips, beeldsensorchips, enzovoort, en zijn typische heterogene integratiesystemen. Bij het HDI-ontwerp van smartphones bereiken ingenieurs hoge prestaties en miniaturisatie van het systeem door een redelijke chipindeling en interconnectieontwerp. Zo worden de applicatieprocessor en geheugenchips nauw met elkaar geïntegreerd door middel van geavanceerde verpakkingstechnologie, waardoor de vertraging bij gegevensoverdracht tussen chips wordt verminderd en de werksnelheid van het systeem wordt verbeterd. Tegelijkertijd wordt door optimalisatie van de verbinding tussen de radiofrequentiechip en de antenne de communicatieprestatie van de mobiele telefoon verbeterd.

Casusanalyse: 3D-verpakkingstoepassingen in datacenters

Ook in datacenters wordt 3D-verpakkingstechnologie veelvuldig toegepast. Neem bijvoorbeeld de CPU van krachtige servers. Om te voldoen aan de hoge vraag naar rekenkracht in datacenters, maken CPU's doorgaans gebruik van 3D-verpakkingstechnologie waarbij meerdere chips op elkaar gestapeld worden. Dankzij TSV-technologie (Through-Silicon Via) wordt een snelle verbinding tussen de chips gerealiseerd, wat de gegevensoverdrachtssnelheid aanzienlijk verbetert. Tegelijkertijd wordt voor de warmteafvoer gebruikgemaakt van vloeistofkoeling. Door microkanalen in de CPU-behuizing aan te brengen en de koelvloeistof te laten circuleren om de warmte af te voeren, wordt de stabiele werking van de CPU onder hoge belasting gewaarborgd.

Rich Full Joy heeft diepgaande ervaring opgebouwd in ontwerpoptimalisatie op het gebied van 3D-verpakkingen en heterogene integratie. HDI-ontwerpHet beschikt over een geavanceerd detectiesysteem dat diverse ontwerpfouten nauwkeurig kan opsporen. Bovendien is Rich Full Joy continu bezig met procesinnovatie en heeft het een reeks geavanceerde verticale interconnectieprocessen en heterogene integratieproductieprocessen ontwikkeld, waardoor de productie-efficiëntie en productkwaliteit aanzienlijk zijn verbeterd. Tegelijkertijd beschikt Rich Full Joy over sterke projectmanagementcapaciteiten en biedt het klanten efficiënte diensten gedurende het gehele proces, van ontwerpplanning tot projectoplevering. Zo helpt het klanten om het voortouw te nemen in het nieuwe domein van HDI-ontwerp en technologische doorbraken en industriële upgrades te realiseren.