熱管理の重要性の高まり
CoWoS（Chip-on-Wafer-on-Substrate）パッケージングは、高性能コンピューティング、AIアクセラレータ、および高帯域幅メモリモジュールにとって支配的なアプローチとなっています。主な焦点は、相互接続密度、チップレット統合、またはロジックノードのスケーリングに置かれることがよくあります。しかし、最終的にパフォーマンスを制限する最も重要な要因の1つは、熱管理です。
電力密度が上昇し続けるにつれて、ヒートシンク、ファン、または液体冷却などの従来の冷却ソリューションだけでは不十分になっています。パッケージ内で使用される材料（インターポーザ、基板、およびヒートスプレッダ）は、ますます中心的な役割を果たしています。新しい材料の中で、炭素ベースのソリューションとワイドバンドギャップ半導体が注目を集めており、SiC基板（炭化ケイ素基板）は、高い熱伝導率、機械的堅牢性、および熱安定性により、独自の可能性を示しています。
CoWoSの熱経路：課題の理解
CoWoSパッケージは、熱が通過しなければならない複数の層で構成されています。アクティブダイによって生成された熱は、最初にインターポーザを介して横方向に広がり、次に基板を介して垂直方向に移動し、最終的に外部冷却システムに到達します。各層は熱抵抗を導入し、適切に管理されないとホットスポットにつながる可能性があります。
従来のシリコンベースのCoWoSでは、インターポーザは熱を適度に伝導しますが、厚さと材料の制限によりその有効性が制限されます。チップレットアーキテクチャがより高密度になるにつれて、ホットスポットが増加し、熱勾配は機械的応力を引き起こす可能性があります。このような条件下では、SiC基板のような材料は、横方向の熱拡散を強化し、熱による変形のリスクを軽減し、システムレベルの熱管理における重要なギャップを埋めることができます。
シリコンインターポーザ：強みと限界
シリコンインターポーザは、成熟した製造プロセス、微細ピッチ相互接続の互換性、および電気的性能により、CoWoSで広く採用されています。低〜中電力アプリケーションでは、シリコンインターポーザはうまく機能し、正確な信号ルーティングと機械的サポートを提供します。
しかし、CoWoSが高電力アプリケーションにスケールアップするにつれて、限界が明らかになります。
局所的なホットスポットは、パフォーマンスと信頼性を低下させます。
シリコンインターポーザと高電力ダイ間の熱膨張のミスマッチは、応力と反りを誘発する可能性があります。
厚さの制約は、インターポーザが熱を効果的に放散する能力を制限します。
これらの課題は、SiC基板などの代替または補完的な材料が、次世代CoWoSシステムでパフォーマンスと信頼性を維持するために必要であることを示しています。
熱材料パレットの拡大
高密度CoWoSパッケージングの熱的需要を満たすには、シリコンを超えて進む必要があります。材料エンジニアは現在、いくつかのアプローチに焦点を当てています。
高度なヒートスプレッダ: 銅または銅モリブデン複合材は、局所的な熱抵抗を低減できますが、機械的なミスマッチを導入することがよくあります。
高性能熱インターフェース材料（TIM）: 接触抵抗を低減しますが、基本的な材料の限界を克服することはできません。
セラミックスとワイドバンドギャップ材料: SiC基板のような材料は、高い熱伝導率と機械的強度と化学的安定性を組み合わせているため、高電力、高密度CoWoSアプリケーションに最適です。
これらの材料を戦略的に統合することにより、各層が外部冷却だけに頼るのではなく、熱管理において明確に定義された役割を果たすCoWoSパッケージを作成することが可能になります。
炭化ケイ素基板：CoWoSにおける機能的役割
SiC基板は、CoWoSパッケージの熱管理において、従来のシリコンよりもいくつかの利点を提供します。
高い熱伝導率: 横方向および垂直方向の熱拡散を促進し、ホットスポットを最小限に抑えます。
低い熱膨張係数（CTE）: 熱サイクル中の機械的応力を軽減します。
機械的堅牢性: 薄型および大面積ウェーハの寸法安定性を維持します。
化学的安定性: 積極的な高温処理と長期的な動作に対応しています。
実際のアプリケーションでは、SiC基板は複数の役割を果たすことができます。
高性能インターポーザとして、シリコン層を置き換えるか補完します。
高電力ダイの下に埋め込まれたヒートスプレッディング層として。
パッケージを安定させ、熱応力下での反りを防ぐ構造層として。
これらの役割により、インターポーザと基板は、単なる電気的相互接続層としてではなく、統一された熱的および機械的プラットフォームとして機能することができます。
熱材料のシステムレベルへの影響
熱管理材料は、熱放散だけでなく、システム全体のアーキテクチャも決定します。 SiC基板または同様の高度な材料を組み込むことにより、設計者は次のことを実現できます。
連続的な高電力動作下でのより高い持続的なパフォーマンス。
熱勾配の低減、信頼性の向上、および故障率の低減。
よりコンパクトなマルチチップモジュールと異種統合により、AIアクセラレータと高性能コンピューティングにおける革新的な設計が可能になります。
言い換えれば、熱材料は現在、制約ではなくイネーブラとして機能しています。材料層で行われた決定は、パッケージレイアウト、チップレット配置、そして最終的にはシステム全体のパフォーマンスに影響を与えます。
CoWoSにおけるSiC基板の製造上の考慮事項
SiC基板は大きな利点を提供しますが、CoWoSパッケージへの統合には慎重な検討が必要です。
ウェーハの薄化: SiCはシリコンよりも硬いため、精密な薄化は困難です。
ビア形成: スルーSiCビアには、高度なエッチングまたはレーザーアシスト法が必要です。
メタライゼーション: SiCへの強力で信頼性の高い金属接着を実現するには、高温動作に合わせたバリア層と接着層が必要です。
欠陥制御: 12インチCoWoS用の大面積SiCウェーハは、歩留まりを確保するために、均一性と低い欠陥密度を維持する必要があります。
これらの課題は容易ではありませんが、克服可能です。プロセス制御、検査、および材料処理におけるソリューションにより、高性能CoWoSアプリケーションでのSiC基板の使用が可能になります。
材料中心のCoWoSアーキテクチャに向けて
CoWoSの進化は、高度なパッケージングがますます材料主導になることを示唆しています。電気的接続性は依然として重要ですが、熱的および機械的特性も同様に重要な役割を果たすようになりました。 SiC基板を統合することにより、CoWoSパッケージは、より高い電力密度をサポートし、熱的故障のリスクを軽減し、複雑な異種統合アーキテクチャを可能にすることができます。
この変化はまた、半導体パッケージングにおけるより広範な傾向を浮き彫りにしています。材料科学、機械工学、およびシステムレベルの設計が収束しています。将来のCoWoSパッケージは、相互接続ピッチやダイサイズと同様に、熱材料の選択によって定義されるでしょう。
結論
CoWoSの熱管理材料はもはや周辺的なものではありません。それらは、最新の高性能システムの動作範囲を定義しています。従来のシリコン層は熱的限界に達しており、SiC基板のような革新的な材料は、熱拡散、機械的安定性、および長期的な信頼性のための新しい道を提供します。
材料レベルのイノベーションと統合を優先することにより、CoWoS設計者は、より高いパフォーマンス、より高密度なアーキテクチャ、および要求の厳しい環境での堅牢な動作を解き放つことができます。電力密度が上昇し続けるにつれて、SiC基板は、次世代CoWoSテクノロジーの主要なイネーブラとなり、材料科学とシステムレベルのパフォーマンスの間のギャップを埋めるでしょう。
熱管理の重要性の高まり
CoWoS（Chip-on-Wafer-on-Substrate）パッケージングは、高性能コンピューティング、AIアクセラレータ、および高帯域幅メモリモジュールにとって支配的なアプローチとなっています。主な焦点は、相互接続密度、チップレット統合、またはロジックノードのスケーリングに置かれることがよくあります。しかし、最終的にパフォーマンスを制限する最も重要な要因の1つは、熱管理です。
電力密度が上昇し続けるにつれて、ヒートシンク、ファン、または液体冷却などの従来の冷却ソリューションだけでは不十分になっています。パッケージ内で使用される材料（インターポーザ、基板、およびヒートスプレッダ）は、ますます中心的な役割を果たしています。新しい材料の中で、炭素ベースのソリューションとワイドバンドギャップ半導体が注目を集めており、SiC基板（炭化ケイ素基板）は、高い熱伝導率、機械的堅牢性、および熱安定性により、独自の可能性を示しています。
CoWoSの熱経路：課題の理解
CoWoSパッケージは、熱が通過しなければならない複数の層で構成されています。アクティブダイによって生成された熱は、最初にインターポーザを介して横方向に広がり、次に基板を介して垂直方向に移動し、最終的に外部冷却システムに到達します。各層は熱抵抗を導入し、適切に管理されないとホットスポットにつながる可能性があります。
従来のシリコンベースのCoWoSでは、インターポーザは熱を適度に伝導しますが、厚さと材料の制限によりその有効性が制限されます。チップレットアーキテクチャがより高密度になるにつれて、ホットスポットが増加し、熱勾配は機械的応力を引き起こす可能性があります。このような条件下では、SiC基板のような材料は、横方向の熱拡散を強化し、熱による変形のリスクを軽減し、システムレベルの熱管理における重要なギャップを埋めることができます。
シリコンインターポーザ：強みと限界
シリコンインターポーザは、成熟した製造プロセス、微細ピッチ相互接続の互換性、および電気的性能により、CoWoSで広く採用されています。低〜中電力アプリケーションでは、シリコンインターポーザはうまく機能し、正確な信号ルーティングと機械的サポートを提供します。
しかし、CoWoSが高電力アプリケーションにスケールアップするにつれて、限界が明らかになります。
局所的なホットスポットは、パフォーマンスと信頼性を低下させます。
シリコンインターポーザと高電力ダイ間の熱膨張のミスマッチは、応力と反りを誘発する可能性があります。
厚さの制約は、インターポーザが熱を効果的に放散する能力を制限します。
これらの課題は、SiC基板などの代替または補完的な材料が、次世代CoWoSシステムでパフォーマンスと信頼性を維持するために必要であることを示しています。
熱材料パレットの拡大
高密度CoWoSパッケージングの熱的需要を満たすには、シリコンを超えて進む必要があります。材料エンジニアは現在、いくつかのアプローチに焦点を当てています。
高度なヒートスプレッダ: 銅または銅モリブデン複合材は、局所的な熱抵抗を低減できますが、機械的なミスマッチを導入することがよくあります。
高性能熱インターフェース材料（TIM）: 接触抵抗を低減しますが、基本的な材料の限界を克服することはできません。
セラミックスとワイドバンドギャップ材料: SiC基板のような材料は、高い熱伝導率と機械的強度と化学的安定性を組み合わせているため、高電力、高密度CoWoSアプリケーションに最適です。
これらの材料を戦略的に統合することにより、各層が外部冷却だけに頼るのではなく、熱管理において明確に定義された役割を果たすCoWoSパッケージを作成することが可能になります。
炭化ケイ素基板：CoWoSにおける機能的役割
SiC基板は、CoWoSパッケージの熱管理において、従来のシリコンよりもいくつかの利点を提供します。
高い熱伝導率: 横方向および垂直方向の熱拡散を促進し、ホットスポットを最小限に抑えます。
低い熱膨張係数（CTE）: 熱サイクル中の機械的応力を軽減します。
機械的堅牢性: 薄型および大面積ウェーハの寸法安定性を維持します。
化学的安定性: 積極的な高温処理と長期的な動作に対応しています。
実際のアプリケーションでは、SiC基板は複数の役割を果たすことができます。
高性能インターポーザとして、シリコン層を置き換えるか補完します。
高電力ダイの下に埋め込まれたヒートスプレッディング層として。
パッケージを安定させ、熱応力下での反りを防ぐ構造層として。
これらの役割により、インターポーザと基板は、単なる電気的相互接続層としてではなく、統一された熱的および機械的プラットフォームとして機能することができます。
熱材料のシステムレベルへの影響
熱管理材料は、熱放散だけでなく、システム全体のアーキテクチャも決定します。 SiC基板または同様の高度な材料を組み込むことにより、設計者は次のことを実現できます。
連続的な高電力動作下でのより高い持続的なパフォーマンス。
熱勾配の低減、信頼性の向上、および故障率の低減。
よりコンパクトなマルチチップモジュールと異種統合により、AIアクセラレータと高性能コンピューティングにおける革新的な設計が可能になります。
言い換えれば、熱材料は現在、制約ではなくイネーブラとして機能しています。材料層で行われた決定は、パッケージレイアウト、チップレット配置、そして最終的にはシステム全体のパフォーマンスに影響を与えます。
CoWoSにおけるSiC基板の製造上の考慮事項
SiC基板は大きな利点を提供しますが、CoWoSパッケージへの統合には慎重な検討が必要です。
ウェーハの薄化: SiCはシリコンよりも硬いため、精密な薄化は困難です。
ビア形成: スルーSiCビアには、高度なエッチングまたはレーザーアシスト法が必要です。
メタライゼーション: SiCへの強力で信頼性の高い金属接着を実現するには、高温動作に合わせたバリア層と接着層が必要です。
欠陥制御: 12インチCoWoS用の大面積SiCウェーハは、歩留まりを確保するために、均一性と低い欠陥密度を維持する必要があります。
これらの課題は容易ではありませんが、克服可能です。プロセス制御、検査、および材料処理におけるソリューションにより、高性能CoWoSアプリケーションでのSiC基板の使用が可能になります。
材料中心のCoWoSアーキテクチャに向けて
CoWoSの進化は、高度なパッケージングがますます材料主導になることを示唆しています。電気的接続性は依然として重要ですが、熱的および機械的特性も同様に重要な役割を果たすようになりました。 SiC基板を統合することにより、CoWoSパッケージは、より高い電力密度をサポートし、熱的故障のリスクを軽減し、複雑な異種統合アーキテクチャを可能にすることができます。
この変化はまた、半導体パッケージングにおけるより広範な傾向を浮き彫りにしています。材料科学、機械工学、およびシステムレベルの設計が収束しています。将来のCoWoSパッケージは、相互接続ピッチやダイサイズと同様に、熱材料の選択によって定義されるでしょう。
結論
CoWoSの熱管理材料はもはや周辺的なものではありません。それらは、最新の高性能システムの動作範囲を定義しています。従来のシリコン層は熱的限界に達しており、SiC基板のような革新的な材料は、熱拡散、機械的安定性、および長期的な信頼性のための新しい道を提供します。
材料レベルのイノベーションと統合を優先することにより、CoWoS設計者は、より高いパフォーマンス、より高密度なアーキテクチャ、および要求の厳しい環境での堅牢な動作を解き放つことができます。電力密度が上昇し続けるにつれて、SiC基板は、次世代CoWoSテクノロジーの主要なイネーブラとなり、材料科学とシステムレベルのパフォーマンスの間のギャップを埋めるでしょう。
