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L'importance croissante de la gestion thermique

L'emballage CoWoS (Chip-on-Wafer-on-Substrate) est devenu une approche dominante pour le calcul haute performance, les accélérateurs d'IA et les modules de mémoire à haute bande passante. L'accent principal est souvent mis sur la densité d'interconnexion, l'intégration de puces ou la mise à l'échelle des nœuds logiques. Cependant, l'un des facteurs les plus critiques qui limite finalement les performances est la gestion thermique.

Alors que les densités de puissance continuent d'augmenter, les solutions de refroidissement traditionnelles comme les dissipateurs thermiques, les ventilateurs ou le refroidissement liquide ne suffisent plus. Les matériaux utilisés dans l'emballage—interposeurs, substrats et diffuseurs de chaleur—jouent un rôle de plus en plus central. Parmi les matériaux émergents, les solutions à base de carbone et les semi-conducteurs à large bande interdite ont attiré l'attention, avec substrat SiC (substrat en carbure de silicium) montrant un potentiel unique en raison de sa conductivité thermique élevée, de sa robustesse mécanique et de sa stabilité thermique.

Le chemin thermique CoWoS : comprendre le défi

Un emballage CoWoS est constitué de plusieurs couches à travers lesquelles la chaleur doit se déplacer. La chaleur générée par les puces actives se propage d'abord latéralement à travers l'interposeur, puis se déplace verticalement à travers le substrat, et atteint finalement le système de refroidissement externe. Chaque couche introduit une résistance thermique, ce qui peut entraîner des points chauds si elle n'est pas correctement gérée.

Dans les CoWoS traditionnels à base de silicium, l'interposeur conduit bien la chaleur, mais les limitations d'épaisseur et de matériau restreignent son efficacité. À mesure que les architectures de puces deviennent plus denses, les points chauds augmentent et les gradients thermiques peuvent provoquer des contraintes mécaniques. Dans de telles conditions, des matériaux comme le substrat SiC peuvent améliorer la diffusion latérale de la chaleur et réduire le risque de déformation induite par la chaleur, comblant ainsi un écart critique dans la gestion thermique au niveau du système.

Interposeurs en silicium : forces et limites

Les interposeurs en silicium sont largement adoptés dans les CoWoS en raison de leurs processus de fabrication matures, de leur compatibilité avec les interconnexions à pas fin et de leurs performances électriques. Pour les applications à faible et moyenne puissance, les interposeurs en silicium fonctionnent bien, offrant un routage précis des signaux et un support mécanique.

Cependant, à mesure que les CoWoS évoluent vers des applications à haute puissance, les limites deviennent évidentes :

• Les points chauds localisés réduisent les performances et la fiabilité.

• Le désaccord de dilatation thermique entre l'interposeur en silicium et les puces haute puissance peut induire des contraintes et une déformation.

• Les contraintes d'épaisseur limitent la capacité de l'interposeur à dissiper efficacement la chaleur.

Ces défis illustrent pourquoi des matériaux alternatifs ou complémentaires, tels que le substrat SiC, sont nécessaires pour maintenir les performances et la fiabilité dans les systèmes CoWoS de nouvelle génération.

Élargir la palette des matériaux thermiques

Répondre aux exigences thermiques des emballages CoWoS à haute densité nécessite d'aller au-delà du silicium. Les ingénieurs des matériaux se concentrent désormais sur plusieurs approches :

1. Diffuseurs de chaleur avancés: Le cuivre ou les composites cuivre-molybdène peuvent réduire la résistance thermique locale, mais ils introduisent souvent un désaccord mécanique.

2. Matériaux d'interface thermique (MIT) haute performance: Réduisent la résistance de contact, mais ne peuvent pas surmonter les limites fondamentales des matériaux.

3. Céramiques et matériaux à large bande interdite: Des matériaux comme le substrat SiC combinent une conductivité thermique élevée avec une résistance mécanique et une stabilité chimique, ce qui les rend idéaux pour les applications CoWoS à haute puissance et à haute densité.

En intégrant stratégiquement ces matériaux, il devient possible de créer un emballage CoWoS où chaque couche a un rôle clairement défini dans la gestion thermique plutôt que de s'appuyer uniquement sur le refroidissement externe.

Substrat en carbure de silicium : rôles fonctionnels dans CoWoS

Le substrat SiC offre plusieurs avantages par rapport au silicium conventionnel pour la gestion thermique dans les emballages CoWoS :

• Conductivité thermique élevée: Facilite la diffusion de la chaleur latérale et verticale, minimisant les points chauds.

• Faible coefficient de dilatation thermique (CTE): Réduit les contraintes mécaniques lors des cycles thermiques.

• Robustesse mécanique: Maintient la stabilité dimensionnelle dans les plaquettes minces et de grande surface.

• Stabilité chimique: Compatible avec les traitements agressifs à haute température et le fonctionnement à long terme.

Dans les applications pratiques, le substrat SiC peut jouer plusieurs rôles :

• En tant qu'interposeur haute performance, remplaçant ou complétant les couches de silicium.

• En tant que couche de diffusion de chaleur intégrée sous les puces haute puissance.

• En tant que couche structurelle pour stabiliser l'emballage et empêcher la déformation sous contrainte thermique.

Ces rôles permettent à l'interposeur et au substrat de fonctionner comme une plateforme thermique et mécanique unifiée, et pas seulement comme une couche d'interconnexion électrique.

Implications au niveau du système des matériaux thermiques

Les matériaux de gestion thermique influencent plus que la dissipation de la chaleur—ils déterminent l'architecture globale du système. En intégrant le substrat SiC ou des matériaux avancés similaires, les concepteurs peuvent obtenir :

• Des performances soutenues plus élevées en fonctionnement continu à haute puissance.

• Des gradients thermiques réduits, améliorant la fiabilité et réduisant les taux de défaillance.

• Des modules multi-puces plus compacts et une intégration hétérogène, permettant des conceptions innovantes dans les accélérateurs d'IA et le calcul haute performance.

En d'autres termes, les matériaux thermiques agissent désormais comme des facteurs de facilitation plutôt que comme des contraintes. Les décisions prises au niveau des matériaux influencent la disposition de l'emballage, le placement des puces et, finalement, les performances de l'ensemble du système.

Considérations de fabrication pour le substrat SiC dans CoWoS

Bien que le substrat SiC offre des avantages significatifs, son intégration dans les emballages CoWoS nécessite une attention particulière :

• Amincissement des plaquettes: Le SiC est plus dur que le silicium, ce qui rend l'amincissement de précision difficile.

• Formation de vias: Les vias traversants en SiC nécessitent des méthodes de gravure avancées ou assistées par laser.

• Métallisation: Obtenir une adhérence métallique solide et fiable sur le SiC nécessite des couches barrières et d'adhérence adaptées au fonctionnement à haute température.

• Contrôle des défauts: Les plaquettes SiC de grande surface pour les CoWoS de 12 pouces doivent maintenir l'uniformité et une faible densité de défauts pour garantir le rendement.

Ces défis ne sont pas triviaux mais surmontables. Les solutions de contrôle des processus, d'inspection et de manutention des matériaux permettent l'utilisation du substrat SiC dans les applications CoWoS haute performance.

Vers des architectures CoWoS centrées sur les matériaux

L'évolution de CoWoS suggère que l'emballage avancé sera de plus en plus axé sur les matériaux. La connectivité électrique reste importante, mais les propriétés thermiques et mécaniques jouent désormais un rôle tout aussi critique. En intégrant le substrat SiC, les emballages CoWoS peuvent prendre en charge des densités de puissance plus élevées, réduire le risque de défaillance thermique et permettre des architectures d'intégration hétérogènes complexes.

Ce changement met également en évidence une tendance plus large dans l'emballage des semi-conducteurs : la science des matériaux, le génie mécanique et la conception au niveau du système convergent. Les futurs emballages CoWoS seront définis autant par le choix des matériaux thermiques que par le pas d'interconnexion ou la taille des puces.

Conclusion

Les matériaux de gestion thermique CoWoS ne sont plus périphériques—ils définissent l'enveloppe de fonctionnement des systèmes modernes haute performance. Les couches de silicium traditionnelles atteignent leurs limites thermiques, et des matériaux innovants comme le substrat SiC offrent de nouvelles voies pour la diffusion de la chaleur, la stabilité mécanique et la fiabilité à long terme.

En privilégiant l'innovation et l'intégration au niveau des matériaux, les concepteurs de CoWoS peuvent débloquer des performances supérieures, des architectures plus denses et un fonctionnement robuste dans des environnements exigeants. À mesure que les densités de puissance continuent d'augmenter, le substrat SiC deviendra un facteur clé de la technologie CoWoS de nouvelle génération, comblant le fossé entre la science des matériaux et les performances au niveau du système.