Vilka tekniska överväganden bör göras för att säkerställa pålitlig minnespaketering i avancerad elektronik?

Bi-dopade lödlegeringar har identifierats och fått ett brett genomslag inom elektroniktillverkning, framförallt på grund av deras högre hårdhet och förbättrade lödpunktens tillförlitlighet. Användningen av lågtemperatur-lödpastor (LTS) har också utforskats för att optimera kontrollen över paketets deformationer vid lägre reflow- temperaturer, särskilt mellan 130 och 150 °C. Detta ger bättre kontroll över de mekaniska egenskaperna och förhindrar oönskade förskjutningar i paketen under tillverkningsprocessen.

En viktig aspekt vid användning av återvunna guldfolier eller koppartrådar är att dessa måste noggrant karaktäriseras. Detta omfattar undersökning av intermetalliska föreningars (IMC) täckning, skjuvstyrka och växthastighet av IMC för att säkerställa att risken för ett misslyckat första bollbindningsfel, särskilt under tester med hög fuktighet eller termisk stress, minimeras. Problemen med arbetsbarheten, såsom korta svansar, icke-klibbande tråd eller klubbar, är kritiska att övervaka, då dessa kan vara relaterade till dopning eller brottstyrka hos återvunnet guld eller koppar.

En annan viktig aspekt gäller användningen av EMC och lödlegeringar vid extremt låga temperaturer, som vid kryogen minnespaketering. I dessa fall, där temperaturer på −196 °C förekommer, är det av yttersta vikt att beakta hur materialet reagerar på den låga temperaturen över tid. Detta gäller särskilt för lödpunktens hållfasthet och sprödhet. Att mäta och förstå övergångstemperaturer från duktilitet till sprödhet för lödlegeringarna är avgörande för att säkerställa långsiktig pålitlighet.

För att minimera deformationer av paketet vid dessa extrema förhållanden, bör fokus ligga på utvecklingen av nya EMC-material med högre modulerstyrka, vilket skulle kunna minska risken för oönskade deformationer under drift. Samtidigt bör användningen av in-situ mätningar för att övervaka paketeringens krökning under de extrema förhållandena prioriteras.

Det är viktigt att förstå att alla dessa tekniska överväganden handlar om att skapa pålitliga och hållbara elektroniska komponenter som kan stå emot långvariga och extrema driftförhållanden. Därför måste arbetet med materialval, tillverkningsprocesser och tester vara noggrant planerat och genomfört för att minimera risken för misslyckanden och säkerställa att elektroniska enheter fungerar effektivt under hela sin livslängd. Den ökande efterfrågan på energieffektiva och hållbara lösningar kräver att alla dessa faktorer noggrant vägs samman för att maximera både prestanda och tillförlitlighet i elektroniska system.

Hur utvecklingen av substrat och PCB påverkar tillförlitligheten och prestandan hos minnesenheter och SSD-paket

Substrat- och kretskortsmaterial (PCB) spelar en avgörande roll för kvaliteten och tillförlitligheten hos moderna minnesmoduler och SSD-enheter. Dessa material utgör basen för integrationen av komponenter och interkonnektorer som gör det möjligt för systemen att leverera hög prestanda under lång tid. I denna diskussion kommer vi att undersöka de tekniska utmaningar och framtida trender som formar utvecklingen av dessa material, samt de faktorer som är avgörande för att säkerställa deras långsiktiga tillförlitlighet i avancerade datacentermiljöer och vid användning i nyare teknologier som artificiell intelligens och kvantberäkning.

Semiconductor-paketeringsteknologin har genomgått en dramatisk utveckling under de senaste decennierna. Från de första plast- och keramikhusen till dagens sofistikerade och integrerade lösningar som stödjer allt från 5G-infrastruktur till datacenter och edge computing, har packagets funktionalitet och prestanda blivit en viktig konkurrensfördel på marknaden. Substraten och PCB-materialen som används för att tillverka dessa enheter måste ständigt utvecklas för att möta de växande kraven på högre densitet, bättre prestanda och minskad storlek.

Det finns ett antal centrala material som används i minnespaketering, inklusive tryckta kretskort (PCB) och olika substratmaterial som Bismaleimide Triazine (BT). BT-material används ofta för att säkerställa god elektrisk ledningsförmåga och mekanisk styrka. De har en termoplastisk sammansättning som är optimerad för att klara de höga temperaturer och stress som förekommer vid användning i datacentersystem. För framtida paket, där hållbarhet och lång livslängd är avgörande, krävs substrat med låg termisk expansion (CTE), höga krav på motståndskraft mot sprickbildning och ett optimerat förhållande mellan materialens krympning och strålningsemissivitet.

Vidare är det viktigt att förstå de vanligaste problem som kan uppstå i samband med substratmaterialens tillförlitlighet. Ett sådant problem är delaminering, vilket innebär att olika lager i substratet separeras under belastning. För att förhindra detta krävs det en noggrant kontrollerad process vid tillverkningen av substraten, där etchprofiler och ytförsegling spelar en central roll. Rätt val av koppar- och epoxybeläggningar kan även förbättra substratets motståndskraft mot fukt och andra miljöfaktorer.

För att hantera dessa problem har forskare och ingenjörer utvecklat olika lösningar och åtgärder, bland annat förbättrade designregler för substrat, optimering av via-design, och förfining av ytbehandlingsmetoder för att minska risken för mikrosprickor och kortslutningar. Genom att använda mer robusta och hållbara substratmaterial kan tillverkare säkerställa att komponenterna tål de påfrestningar som kommer med långvarig användning i högpresterande system.

En annan aspekt som påverkar tillförlitligheten är kvaliteten på bearbetningen av substraten. För att uppnå långsiktig hållbarhet måste tillverkarna följa strikta krav på ytbehandling och säkerställa att alla lager är korrekt förseglade och behandlade. Eftersom den tekniska utvecklingen inom datacenter och molnbaserade lösningar drivs av maskininlärning och andra dataintensiva applikationer, kommer den kontinuerliga utvecklingen av substrat och PCB-material att vara avgörande för att möta dessa framtida krav.

Det är också viktigt att beakta de framtida utmaningarna som kommer att uppstå med införandet av nya teknologier som kvantdatorer och avancerad artificiell intelligens. Dessa teknologier ställer mycket högre krav på både hållbarhet och prestanda än de nuvarande lösningarna, vilket innebär att det kommer att behövas nya material och processer för att möta dessa krav. Här kommer forskning om nya substrat och PCB-material att spela en central roll för att möta de tekniska utmaningarna och möjliggöra framtida framsteg inom minnesenheter och lagringsteknik.

Hur optimering av PCB och substratmaterial kan förbättra pålitligheten i minnesmodul- och SSD-paket vid extremtemperaturer

Inom högpresterande databehandling har det blivit allt mer uppenbart att utvecklingen av avancerade system kräver ytterligare innovationer och pålitlighetsbedömningar för substrat- och PCB-material. Särskilt inom områden som extremt lågtemperaturteknik och kvantberäkning är det nödvändigt att noggrant beakta både materialegenskaper och de termiska effekterna på elektroniska komponenter.

En central utmaning för tillförlitligheten i dessa system är den deformation (warpage) som kan uppstå i PCB-nivå vid mycket låga temperaturer, som vid användning i flytande kväve eller helium. Warpage kan bero på en rad faktorer, men de primära orsakerna är de olika krympningshastigheterna och Coefficient of Thermal Expansion (CTE) för kärnmaterial, substrat och inkapsling. Det är därför viktigt att välja material med rätt krympningsegenskaper för att säkerställa att hela modulen och SSD-paketet inte utsätts för onödigt stora spänningar vid dessa extrema förhållanden.

För att minimera dessa effekter och optimera tillförlitligheten finns det flera nyckelstrategier som kan tillämpas på PCB och substratmaterial. En viktig åtgärd är att optimera reflow-processen på SSD-nivå, vilket innebär att använda en längre tid över liquidus-punkten. Detta kan minska den termiska påfrestningen och möjliggöra en mer kontrollerad kylning. En annan metod är att använda lågt smältande lödpasta, vilket sänker temperaturen vid reflow från 260 °C till cirka 180 °C, vilket kan minska risken för warpage.

För applikationer inom bilindustrin och andra högtemperaturomiljöer kan det vara fördelaktigt att använda en tjockare PCB med en Cu-OSP (Copper-Organic Solderable Preservative) ytförädling. Detta förbättrar både den mekaniska stabiliteten och lödförmågan vid höga temperaturer. Även valet av substratmaterial, med låg CTE och låg modulus, kan bidra till att minska warpage vid högre temperaturer och därmed förbättra tillförlitligheten på lång sikt.

Dessutom måste alla minnespaket uppfylla minimikraven för pålitlighet enligt IPC/JEDEC-standarder, vilket är särskilt viktigt innan man går in i massproduktion. Det är viktigt att förstå att varje komponent och dess interaktion med andra delar av systemet måste testas noggrant för att säkerställa att hela systemet fungerar under de extrema förhållandena, särskilt i applikationer som involverar nedsänkning i vätskor eller användning i kvantdatorer.

Med det aktuella behovet av hållbara lösningar för framtida teknologier som AI och kvantberäkning är det avgörande att all ny utveckling av PCB och substratmaterial beaktar dessa faktorer noggrant. Det innebär inte bara att förstå den termiska mekaniken bakom warpage och de mekaniska effekterna av olika material, utan också att förstå hur dessa faktorer samverkar för att påverka den långsiktiga pålitligheten hos hela systemet.

Hur utvecklas elektroniska förpackningsmaterial för AI och kvantdatorer?

I takt med att datacenter och deras energikonsumtion fortsätter att växa, är det nödvändigt att förbättra kylningslösningarna för att möta de ökade kraven på säker drift av Information Technology (IT)-utrustning. En stor del av den energi som tillhandahålls för datacenters drift går åt till kylningssystem, vilka måste hålla temperaturerna inom säkra gränser. Att förbättra energieffektiviteten i dessa system utan att kompromissa med de termiska kraven är en av de största utmaningarna. En lovande teknik för att hantera detta är vätskebadsavkylningssystem (Liquid Immersion Cooling, LIC), där servrar nedsänks i en dielektrisk vätska med god värmeledningsförmåga.

En annan framväxande trend är den ökande användningen av återvunna material för elektroniska förpackningar. Dessa material har potential att minska både kostnader och miljöpåverkan, men medför samtidigt nya utmaningar när det gäller hållbarhet och långsiktig tillförlitlighet. Återvunnen guldlegering (Recycled Au), till exempel, har visat sig vara en lovande lösning med goda termiska egenskaper och en förmåga att motstå Kirkendall-voiding vid tillräcklig hållfasthet. Detta skapar nya möjligheter för datacenter och annan avancerad elektronik som kräver både hög prestanda och låg miljöpåverkan.

Särskilt när det gäller kvantdatorer, där kritiska komponenter måste hållas vid extremt låga temperaturer, är valet av förpackningsmaterial avgörande. Kvantdatorer kräver i många fall en kylning till nära absoluta nollpunkten för att systemets kvantmekaniska egenskaper ska kunna upprätthållas. För att uppnå denna extremt låga temperatur krävs avancerade kylsystem, ofta baserade på en blandning av heliumisotoper i en flertraps-dilutionrefrigerator. Här spelar både lödlegeringar och det valda inkapslingsmaterialets termiska stabilitet och isolerande egenskaper en central roll.

För att adressera dessa behov arbetar många forskare och företag med att utveckla nya teknologier och material. Nvidia, till exempel, har nyligen fått ett bidrag från det amerikanska energidepartementet för att utveckla en kylningslösning för datacenter som använder en kombination av tvåfasdirekt-kyla och vätskebadsavkylning. Det är en del av DOE:s program COOLERCHIPS, som har som mål att optimera kylteknologier för att förbättra energieffektiviteten och minska koldioxidavtrycket i informationsteknikens infrastuktur.

Dessa avancerade kylsystem innebär också nya krav på de vätskor som används i datacenter. Dielektriska vätskor som används för att kyla systemen måste uppfylla specifika krav på kemisk stabilitet och låg viktförlust för att förhindra kontaminering och nedbrytning av material. Det är också viktigt att förstå hur dessa vätskor samverkar med de elektroniska komponenternas förpackningsmaterial, vilket kan påverka hela systemets livslängd och pålitlighet.

För framtida tillämpningar, såsom AI och kvantdatorer, är det avgörande att förstå de specifika krav som ställs på både elektronikmaterial och kylsystem. Interaktionen mellan vätskor och material i dessa teknologier kommer att ha en avgörande inverkan på tillförlitligheten hos både minnesmoduler och SSD-enheter i nedsänkta miljöer. Även om temperaturpåverkan inte är en direkt oro vid de temperaturer som används i vätskebadskylning, innebär långvarig nedsänkning i dielektrisk vätska en potentiell risk för materialnedbrytning och oönskade kemiska reaktioner. Här spelar val av underfyllnadsmaterial och lödpastor en central roll i att förhindra kontaminering och förlänga komponenternas livslängd.