Mikä rooli on epoksinmuovauskomponenttien (EMC) ominaisuuksilla elektronisten pakkausten luotettavuudessa?

Elektroniikan kehittyminen on johtanut yhä vaativampiin pakkausratkaisuihin, erityisesti tekoälyn, 5G-sovellusten, korkean suorituskyvyn tietojenkäsittelyn ja autonomisten ajoneuvojen kasvavien tarpeiden myötä. Tämä puolestaan asettaa uusia haasteita puolijohteiden pakkausmateriaaleille. Yksi keskeisimmistä komponenteista näissä pakkausratkaisuissa on epoksinmuovauskomponentti (EMC), joka toimii pakkausten suojaavana kerroksena ja suojaa aktiiviset integroitu piirirakenteet ympäristön haittavaikutuksilta, kuten kosteudelta, korroosiolta ja mekaanisilta vaurioilta.

Viime vuosina muistimoduulien pakkausteknologiat ovat kokeneet merkittäviä edistysaskelia. Tärkeimmät innovaatiot liittyvät uudempiin monisirupakkausratkaisuihin, kuten uMCP (Universal Flash Storage Based Multi-Chip Package), NAND-pohjaiset MCP (Multiple Chip Package) ja HBM (High Bandwidth Memory), jotka tarjoavat entistä suurempaa tallennuskapasiteettia ja nopeampia tiedonsiirtonopeuksia. Näiden edistyksellisten pakkausten keskeinen ominaisuus on useiden sirujen pinoaminen ohuempaan pakettiprofiiliin, mikä puolestaan tuo esiin tarpeen parantaa pakkausten mekaanista ja termistä luotettavuutta.

Yksi kehittyvistä teknologioista on hiilinanoputkien (CNT) käyttö epoksiseosten vahvistamisessa. CNT-materiaalit parantavat merkittävästi epoksinmuovauskomponenttien mekaanista ja termistä kestävyyskykyä verrattuna perinteisiin hiilivetyepokseihin. Tämä johtaa parempaan väsymis- ja murtumiskestävyyskykyyn, mikä on erityisen tärkeää sovelluksissa, joissa komponenttien altistuminen kuormitukselle on jatkuvaa ja suurta.

Erityisesti korkean suorituskyvyn sovelluksissa, joissa käytetään suuria muistimoduuleja, kuten AI-sovelluksissa, lämpötilan ja radiaation hallinta on elintärkeää. Epoksinmuovauskomponenttien alfasäteilyä vähentävät ominaisuudet ovat tässä avainasemassa, koska ne auttavat estämään virheellisten bittien muodostumista ja parantavat järjestelmien luotettavuutta. Tämä on erityisen kriittistä suurikapasiteettisissa muisteissa, joissa tietojen vääristyminen voi aiheuttaa merkittäviä virheitä koko järjestelmässä.

Viimeisimpien materiaalistandardien mukaan EMC:lle asetetaan tarkkoja vaatimuksia, kuten ohuet täyttörajan koot (alle 20 µm) ja tiukempi muottiväli (alle 150 µm), jotka mahdollistavat entistä tiheämpien ja pienempien muistipakkausten luomisen. Tämä vähentää osaltaan myös pakkausten muodonmuutoksia ja mahdollistaa paremman kuorman hallinnan.

Miten modernit jäähdytysratkaisut muokkaavat datakeskusten tulevaisuutta?

Datakeskusten jäähdytysratkaisut ovat kehittyneet merkittävästi viime vuosina. Tämä kehitys on olennainen osa datakeskusten toiminnan optimointia, erityisesti ottaen huomioon energiatehokkuuden ja ympäristöystävällisyyden vaatimukset. Nykyisin datakeskusten jäähdytysratkaisujen moninaisuus ja niiden teknologinen kehitys mahdollistavat entistä tehokkaamman ja kestävämmän toiminnan.

Tällä hetkellä käytettävissä olevat jäähdytysratkaisut voidaan jakaa useisiin kategorioihin, joista tärkeimpiä ovat ilmankylmäys, nestejäähdytys ja uppoutumistekniikat. Perinteiset jäähdytysmenetelmät, kuten ilmankylmäys ja veden jäähdytys, ovat edelleen käytössä monissa datakeskuksissa, mutta ne ovat joutuneet kilpailuun uusien, tehokkaampien menetelmien kanssa. Nestejäähdytyksessä hyödynnetään erityisesti nestejäähdyttimiä, jotka siirtävät lämpöä tehokkaasti prosessoreista ja muista laitteista jäähdytysjärjestelmään. Tämä tekniikka on osoittautunut erittäin tehokkaaksi, mutta samalla myös kalliksi ja monimutkaiseksi.

Datakeskusten lämpökuormien kasvu on lisännyt tarvetta uusille jäähdytysratkaisuille, ja uusia tekniikoita kehitetään jatkuvasti. Esimerkiksi kaksivaiheinen nestejäähdytys on noussut suosioon erityisesti suuritehoisissa datakeskuksissa. Tällöin neste käy läpi kaksi eri vaihetta (nestemäinen ja kaasu), ja tämän prosessin aikana lämpö siirtyy tehokkaasti pois laitteista. Kaksivaiheinen jäähdytys voi tarjota huomattavia etuja verrattuna perinteisiin menetelmiin, kuten suuremman energiatehokkuuden ja paremman jäähdytyskapasiteetin.

Toinen keskeinen tekijä datakeskusten jäähdytyksessä on lämmön talteenotto. Tämä tarkoittaa sitä, että jäähdytyksessä syntyvä lämpö voidaan käyttää uudelleen muiden prosessien, kuten rakennusten lämmittämiseen tai energiantuotantoon. Esimerkiksi yritykset, kuten Google ja Microsoft, ovat investoineet projekteihin, joissa datakeskusten tuottamaa lämpöä hyödynnetään paikallisessa energiantuotannossa. Tällaiset ratkaisut eivät ainoastaan paranna datakeskusten energiatehokkuutta, vaan ne voivat myös tuottaa ympäristöystävällisiä ratkaisuja ja vähentää datakeskusten ympäristövaikutuksia.

Energiankulutuksen ja jäähdytyksen kehitys on tiiviisti kytköksissä myös ympäristövaikutuksiin. Erilaiset jäähdytysjärjestelmät voivat kuluttaa huomattavia määriä energiaa, mikä lisää kasvihuonekaasupäästöjä. Siksi datakeskusten jäähdytyksessä pyritään yhä enemmän uusiutuviin energialähteisiin ja ympäristöystävällisiin jäähdytysratkaisuihin. Esimerkiksi veden jäähdytysjärjestelmät, joissa hyödynnetään lähellä olevia vesivaroja, ovat yksi keino vähentää energian kulutusta ja ympäristövaikutuksia.

Yksi tärkeimmistä tekijöistä, joka vaikuttaa datakeskusten jäähdytysratkaisuihin, on laitosten tiheys ja kokoonpano. Korkean tiheyden palvelimet tuottavat enemmän lämpöä, mikä asettaa haasteita perinteisille jäähdytysratkaisuille. Tässä yhteydessä nestejäähdytys, erityisesti suora nestejäähdytys, voi olla tehokkain ratkaisu. Se pystyy siirtämään lämpöä huomattavasti tehokkaammin kuin ilmankylmäys ja voi olla avainasemassa tulevaisuuden datakeskuksissa, joissa laitteistot ja prosessorit kehittyvät entistä tehokkaammiksi.

Teknologian kehitys tuo mukanaan myös uusia haasteita, kuten laitteistojen korroosio ja jäähdytysjärjestelmien huoltotarpeet. Erityisesti nestejäähdytys voi altistaa laitteet korroosiolle, mikä asettaa vaatimuksia jäähdytysveden laadulle ja jäähdytysjärjestelmien säännölliselle huollolle. Tämän vuoksi on tärkeää valita oikeat nesteet ja varmistaa, että järjestelmät pidetään kunnossa. Myös jäähdytysjärjestelmien pitkän aikavälin luotettavuus on otettava huomioon, jotta ne eivät aiheuta odottamattomia käyttökatkoksia tai laitteistovaurioita.

Datakeskusten tulevaisuudessa on myös kasvava tarve kestävälle kehitykselle ja ympäristöystävällisille ratkaisuille. Esimerkiksi vedettömät jäähdytysjärjestelmät ja ilman vaihto- ja suodatinratkaisut voivat vähentää tarvetta perinteiselle jäähdytykselle ja samalla vähentää ympäristövaikutuksia. Jäähdytyksessä käytettävien kemikaalien, kuten HFO-lämpösiirtonesteiden, valinta ja niiden ympäristövaikutukset ovat myös tärkeitä huomioitavia tekijöitä, kun suunnitellaan kestävää datakeskuksen infrastruktuuria.

Datakeskusten jäähdytyksessä huomioitavat tekijät ulottuvat siis pelkästään teknologian ja tehokkuuden parantamiseen. Tärkeää on ymmärtää myös taloudelliset ja ympäristölliset vaikutukset, sillä ne määrittelevät pitkällä aikavälillä ratkaisujen käytettävyyden ja hyväksyttävyyden. Energiankulutuksen ja lämpökuormien hallinnan lisäksi tulee varmistaa, että valitut jäähdytysratkaisut pystyvät tarjoamaan paitsi suorituskykyä, myös kestävän ja ympäristöystävällisen ratkaisun.

Miten suunnitella ja testata PCB:itä kryogeenisissä ympäristöissä?

Suunniteltaessa painokaraisia piirilevyjä (PCB) erittäin matalissa lämpötiloissa, kuten kryogeenisissa olosuhteissa, on tärkeää huomioida materiaalien valinta, erityisesti substraattien osalta. Perinteiset materiaalit saattavat muuttua hauraiksi tai niiden sähköiset ominaisuudet voivat muuttua merkittävästi erittäin alhaisissa lämpötiloissa. Kryogeenisissä olosuhteissa käytettävien PCB:iden suunnittelussa suositaan usein polyimidi- ja PTFE (polytetrafluorietyliini) -pohjaisia substraatteja niiden matalan lämpölaajenemiskerroksen ja luotettavan suorituskyvyn vuoksi.

Koboltti ja kupari ovat yleisesti käytettyjä johtimien materiaaleja, mutta niiden käyttäytyminen kryogeenisissä ympäristöissä voi olla ongelmallista. Esimerkiksi kupari voi menettää osan sähkönjohtavuudestaan erittäin matalissa lämpötiloissa. Tällöin korkeapuristeisen kuparin tai kupariseosten käyttö on suositeltavaa, sillä ne on suunniteltu erityisesti kryogeenisiin olosuhteisiin. Lisäksi kuparin ja substraatin välinen lämpölaajenemiserotus on hallittava huolellisesti, jotta vältetään mekaaninen rasitus piirilevylle.

Jotta voidaan varmistaa PCB:iden luotettavuus kryogeenisissä ympäristöissä, materiaalien valinta on tärkeä tekijä, mutta myös suunnittelun tarkkuus ja testaaminen ovat keskeisiä. Erityisesti, kun suunnitellaan laitteita, jotka toimivat matalissa lämpötiloissa, on tärkeää varmistaa, että komponentit, kuten muistimoduulit ja SSD-levyt, voivat kestää pitkään ilman vaurioita. Tämä edellyttää muun muassa pakkauksen ja piirilevyn välisten materiaalien yhteensopivuutta ja sellaisten materiaalien valintaa, jotka kestävät lämpötilan ja kosteuden vaihteluita.

Erityisesti upotetun jäähdytyksen (immersion cooling) sovelluksissa, joissa komponentit upotetaan nestemäisiin jäähdytysaineisiin, kuten kryogeenisiin nesteisiin, on otettava huomioon monia haasteita. Näissä sovelluksissa kemiallinen vuorovaikutus muistimoduulien ja SSD-levyjen kanssa on kriittinen tekijä, sillä pitkäkestoiset upotukset voivat aiheuttaa materiaalien irtoamista ja korroosiota. Tämän riskin vähentämiseksi voidaan käyttää konformaalisia pinnoitteita ja kemiallisesti kestäviä materiaaleja, jotka estävät levyjen vääntymistä ja vuotoja.

Kryogeenisten muistiteknologioiden käyttö on myös nousussa kvanttiteknologian ja AI-laskennan myötä. Tällöin on tärkeää, että muistimoduulin ja sen komponenttien materiaaleja valittaessa otetaan huomioon niiden lämpölaajenemiskerroin, kutistumisnopeus ja korkea muovautuvuus erittäin alhaisissa lämpötiloissa. Väärä materiaalivalinta voi johtaa pakkauksen tai moduulin vääntymiseen ja aiheuttaa juotosliitosten luotettavuusongelmia, erityisesti 77 K:n (~ -190 °C) käyttöolosuhteissa.

Testausmenetelmät ovat keskeisiä PCB:iden ja komponenttien luotettavuuden arvioimisessa erityisesti lämpötilan ja kosteuden vaihteluista johtuvien stressitekijöiden osalta. Esimerkiksi siklisen lämpö- ja kosteustestin (CTH) käyttö voi auttaa arvioimaan pakkausratkaisujen kestävyyttä erityisesti upotetussa jäähdytyksessä käytettävissä uusissa pakkausteknologioissa. Tällaiset testit voivat paljastaa mahdolliset juotosliitosten väsymisvauriot tai mikrorikkoutumat, jotka voivat ilmetä lämpötilan vaihteluista tai tärinän vaikutuksesta.

Lämpö- ja kosteussyklisten testien lisäksi pakkausluokan sekventiaalinen testaus voi auttaa arvioimaan pakkausten luotettavuutta entistä tarkemmin, erityisesti ohuempien sirujen tai kapeampien kupariraitojen käytön yhteydessä. Tämäntyyppiset testit yhdistävät lämmön ja kosteuden vaikutukset ja mahdollistavat realistisempien luotettavuustestien suorittamisen, mikä on tärkeää muistimoduulien ja SSD-levyjen pitkäaikaisen toiminnan varmistamiseksi.

PCB-suunnittelun ja materiaalien kehityksessä onkin huomioitava jatkuvasti kehittyvät tarpeet ja uudet haasteet, kuten ohuempien sirujen ja kapeampien kupariraitojen käyttö. Tällä hetkellä ei ole olemassa yksiselitteistä ratkaisua kaikille haasteille, mutta innovatiiviset materiaalit ja testausmenetelmät ovat askel kohti luotettavampia ja kestävämpiä PCB-ratkaisuja.