पैकेज प्रौद्योगिकी और विश्वसनीयता में उच्च{{0}घनत्व प्रणाली{{1}में- पर अनुसंधान प्रगति

नागरिक क्षेत्र में वायरलेस संचार और अन्य प्रौद्योगिकियों के विस्तार और प्रचार के साथ, इलेक्ट्रॉनिक घटकों के प्रदर्शन में काफी सुधार हुआ है। इसके साथ ही, इलेक्ट्रॉनिक प्रणालियों के बढ़ते एकीकरण के साथ, उपकरण लघुकरण, हल्के वजन, सटीकता और बहुक्रियाशीलता की ओर विकसित हो रहे हैं। जैसे-जैसे इन उपकरणों का सेवा वातावरण उनके डिज़ाइन किए गए कार्यों के विस्तार के साथ अधिक मांग वाला होता जा रहा है, उन्नत पैकेजिंग संरचनाओं और सामग्रियों की डिज़ाइन और सेवा विश्वसनीयता की खोज करना उनके इच्छित कार्यों को प्राप्त करने के लिए महत्वपूर्ण है। यह पेपर वायरलेस संचार प्रणालियों और उनके संबंधित विकास इतिहास में आमतौर पर उपयोग की जाने वाली पैकेजिंग प्रौद्योगिकियों को सूचीबद्ध करता है, उच्च घनत्व पैकेजिंग की विशेषताओं और संभावित विश्वसनीयता मुद्दों को स्पष्ट करता है, और मौजूदा समाधानों का संक्षेप में परिचय देता है।

1 परिचय

एकीकृत सर्किट उद्योग के जोरदार विकास के साथ, डिवाइस लघुकरण और उच्च घनत्व पैकेज एकीकरण के कारण एकीकृत सर्किट आधारित माइक्रोसिस्टम उपकरणों के आकार में लगातार कमी आई है। सिस्टम धीरे-धीरे अलग-अलग घटकों से बने कार्यात्मक लॉजिक सर्किट से मुद्रित सर्किट बोर्डों पर एकीकृत एकल घटकों से बने माइक्रोसिस्टम में स्थानांतरित हो रहे हैं। प्रयोगों, परीक्षण और वास्तविक उत्पादन के माध्यम से निरंतर सत्यापन के साथ, वायरलेस संचार माइक्रोसिस्टम्स में सूचना रिसेप्शन और ट्रांसमिशन के व्यावहारिक परिदृश्यों में व्यापक अनुप्रयोग संभावनाएं हैं। पारंपरिक बोर्ड स्तर प्रणालियों के बड़े आकार और भारी वजन की तुलना में, इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में लघुकरण की प्रवृत्ति ने उनकी कम लागत, लचीली अनुप्रयोग सीमा और उच्च विश्वसनीयता के कारण एकीकृत संचार माइक्रोसिस्टम्स (एमएस/एमएस) द्वारा बोर्ड स्तर प्रणालियों के क्रमिक प्रतिस्थापन को जन्म दिया है, जिससे वे वर्तमान मुख्यधारा की सूचना इंटरैक्शन विधियों में से एक बन गए हैं।

इलेक्ट्रॉनिक संचार और 5G प्रौद्योगिकियों के विकास से प्रेरित होकर, वायरलेस संचार प्रणालियों के विभिन्न तकनीकी संकेतक, जैसे कि शक्ति संचारित करना, संवेदनशीलता प्राप्त करना, बैंडविड्थ और चैनल स्थिरता में सुधार हुआ है। इसने संचार प्रौद्योगिकी को मिलीमीटर तरंगों, टेराहर्ट्ज़, ब्रॉडबैंड, अल्ट्रा{2}वाइडबैंड, उच्च{3}पावर ट्रांसमिशन और उच्च संवेदनशीलता की दिशा में प्रेरित किया है, जबकि मोनोलिथिक माइक्रोवेव इंटीग्रेटेड सर्किट (एमएमआईसी), कम तापमान सह{55}फायर्ड सिरेमिक (एलटीसीसी) सिस्टम, सिस्टम{6}इन{7}पैकेज (एसआईपी) सिस्टम, और सिस्टम{8}ऑन{9}चिप जैसी प्रौद्योगिकियों को भी जन्म दिया है। (एसओसी) सिस्टम। चिप जैसी प्रौद्योगिकियों के उद्भव के साथ-साथ चिप (एसओसी) और अन्य समान प्रक्रियाओं के उद्भव के साथ-साथ 3डी विषम एकीकरण और माइक्रो/नैनो प्रक्रियाओं जैसी प्रौद्योगिकियों के अनुप्रयोग और विकास ने वायरलेस संचार माइक्रोसिस्टम्स के विकास को जन्म दिया है। सटीक सूचना ग्रहण और प्रसारण के लिए मुख्य इकाई के रूप में, और इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों और प्रणालियों के लघुकरण, एकीकरण और उच्च घनत्व के साथ, उच्च प्रदर्शन, उच्च विश्वसनीयता एकीकृत माइक्रोसिस्टम्स वर्तमान में वायरलेस संचार प्रणालियों के लिए मुख्यधारा के विकास की दिशा हैं। लघु ट्रांसीवर मॉड्यूल उपकरणों को एक साथ उच्च दक्षता, कम चरण शोर और उच्च आउटपुट पावर प्राप्त करने में सक्षम बनाते हैं। हालाँकि, जैसे-जैसे प्रक्रिया के आयाम सिकुड़ते हैं, माइक्रोसिस्टम्स की समग्र डिजाइन और विनिर्माण लागत में वृद्धि होती है। इसलिए, उद्योग ने चिप का उपयोग करने का प्रस्ताव दिया है।

संक्षेप में, जैसे-जैसे प्रौद्योगिकी आगे बढ़ती है, माइक्रोसिस्टम उपकरणों का एकीकरण घनत्व बढ़ता जा रहा है, जिससे प्रति इकाई क्षेत्र में गर्मी उत्पादन में लगातार वृद्धि हो रही है। उच्च-घनत्व, उच्च{{2}शक्ति वाले उपकरणों को सेवा के दौरान उच्च{3}तापमान संचालन की चुनौती का सामना करना पड़ता है। इसलिए, उच्च तापमान भार के तहत सोल्डर जोड़ों की विश्वसनीयता और सामग्रियों की गर्मी अपव्यय क्षमता विश्वसनीय उपकरण संचालन के लिए महत्वपूर्ण कारक हैं। सोल्डर संयुक्त संरचना को संशोधित करना या इंटरफ़ेस सामग्री को बदलना इन दो प्रभावशाली कारकों के प्रदर्शन को बेहतर बनाने के प्रभावी साधन हैं। यह पेपर इन दो दृष्टिकोणों के अनुकूलन तरीकों का संक्षेप में परिचय देता है।

2. पैकेजिंग प्रकार

माइक्रोसिस्टम उपकरणों के एकीकरण के लिए डिवाइस के कार्यों को साकार करने के लिए पैकेजिंग तकनीक के उपयोग की आवश्यकता होती है। एक अच्छी पैकेजिंग संरचना डिवाइस के लिए उचित यांत्रिक सहायता, परस्पर जुड़े विद्युत संकेत, एक कुशल गर्मी अपव्यय प्रणाली और एक व्यापक सेवा रेंज प्रदान कर सकती है। वर्तमान में, कई उन्नत पैकेजिंग संरचनाएँ उपलब्ध हैं, जैसे SiP, SoC और चिपलेट। SiP (सिस्टम{{3}ऑन{4}}पैकेज) तकनीक उच्च{{5}डेंसिटी मल्टी{6}}चिप मॉड्यूल (एमसीएम) तकनीक का उपयोग करके सिस्टम एकीकरण की एक विधि है। इस तकनीक में एम्बेडेड कंप्यूटर सिस्टम डिज़ाइन, बहुत बड़े पैमाने पर एकीकृत सर्किट, सिस्टम एकीकरण डिज़ाइन, सिस्टम पैकेजिंग और एमसीएम आदि शामिल हैं। यह एक ही पैकेज के भीतर अपेक्षाकृत पूर्ण सिस्टम क्षमताओं के साथ मानकीकृत लॉजिक सर्किट फ़ंक्शन प्राप्त करता है। यह विधि विभिन्न कार्यात्मक वातावरणों के लिए डिवाइस संरचनाओं को सरल बनाती है, डिवाइस की विश्वसनीयता बढ़ाती है, आकार और लागत को कम करती है, और अलग-अलग उपकरणों की तुलना में बेहतर प्रदर्शन प्रदान करते हुए उपयोग में आसानी और लचीलेपन को बनाए रखती है।

SiP तकनीक सबसे पहले जॉर्जिया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के प्रोफेसर राव तुम्माला द्वारा प्रस्तावित की गई थी, जिसमें विभिन्न IC चिप्स और उपकरणों को एक ही पैकेज सिस्टम के भीतर योजनाबद्ध तरीके से असेंबल किया गया था। इससे पैकेज घनत्व और दक्षता में उल्लेखनीय सुधार होता है। इस पैकेजिंग विधि के आधार पर, इंटीग्रेटेड फैन आउट (इन्फो), एंबेडेड मल्टी इंटरकनेक्ट ब्रिज (ईएमबी), और चिप ऑन वेफर जैसे डेरिवेटिव... सब्सट्रेट और सीओडब्ल्यूओएस समेत विभिन्न प्लानर सिस्टम {{5} इन {6} पैकेज (एसओसी) समाधान मौजूद हैं।

एकीकृत सर्किट के लघुकरण और पैकेजिंग प्रौद्योगिकी के विकास के साथ, SoC छोटे आकार और उच्च प्रदर्शन को प्राप्त करने के लिए धीरे-धीरे 2.5D और यहां तक ​​कि 3D की ओर विकसित हो रहा है। जैसे-जैसे पैकेजिंग संरचनाएं विकसित हो रही हैं, सोल्डर जोड़ का आकार भी कम हो रहा है, जिससे इंटरकनेक्ट तकनीक में लगातार नवाचार हो रहा है।

SoC का मतलब सिस्टम {{0}on{1}a{2}चिप है। SoC सिस्टम को समग्र रूप से मानता है, कंप्यूटर सिस्टम के डिज़ाइन तर्क की नकल करता है, कई कार्यात्मक मॉड्यूल को एक माइक्रोसिस्टम में छोटा करता है और उन्हें एक पैकेज में एकीकृत करता है। यह उपप्रणालियों के संग्रह से बना है। कंप्यूटर की सेंट्रल प्रोसेसिंग यूनिट के समान, एक SoC में कई छोटे मॉड्यूल होते हैं। SoC के हार्डवेयर घटकों में मुख्य रूप से शामिल हैं: कोर, मेमोरी, परिधीय इंटरफेस (उच्च-गति और निम्न{8}}गति परिधीय), बस, इंटरप्ट मॉड्यूल और क्लॉक मॉड्यूल। चित्र 2 एक सामान्य SoC एकीकृत प्रणाली में लॉजिक सर्किट वितरण को दर्शाता है। यह देखा जा सकता है कि गणना के लिए जिम्मेदार सीपीयू, कुल के 1/4 से भी कम पर कब्जा करता है, जबकि विशिष्ट तर्क कार्यों को प्राप्त करने के लिए कार्यात्मक मॉड्यूल की एक समृद्ध श्रृंखला चिप पर एकीकृत होती है। मल्टी-चिप एकीकरण की तुलना में, चिप एकीकरण तकनीक पूरे सिस्टम के लिए उच्च एकीकरण स्तर प्रदान करती है, जो लघुकरण और हल्के डिजाइन की मांगों को बेहतर ढंग से पूरा करती है। इसके अलावा, सिस्टम मॉड्यूल में उच्च एकीकरण स्तर से डिजाइन लागत कम होती है। GaAs और GaN जैसे तीसरी पीढ़ी के अर्धचालकों के क्रमिक अनुप्रयोग के साथ, डिवाइस ऑपरेटिंग तापमान, पावर घनत्व और कम पावर प्रदर्शन सभी में अलग-अलग डिग्री तक सुधार हुआ है।

चिपलेट को विषम एकीकरण (एच) का एक उपसमूह माना जा सकता है। विषम एकीकरण विशिष्ट प्रक्रियाओं का उपयोग करके विभिन्न प्रकार के अर्धचालकों को एक ही इकाई में एकीकृत करता है, जिससे लागत -प्रभावशीलता और छोटे आकार के बीच संतुलन प्राप्त होता है। कई सामग्रियों का एकीकरण अधिक डिज़ाइन लचीलापन और बेहतर सिस्टम प्रदर्शन प्रदान करता है। विषम एकीकरण प्रक्रियाओं पर आधारित चिपलेट पैकेजिंग उपकरणों को छोटा करते हुए बढ़े हुए एकीकरण पैमाने, बेहतर प्रदर्शन और कम बिजली की खपत को प्राप्त करती है। चिपलेट तकनीक इस समस्या का समाधान करती है कि एकल चिप का क्षेत्र अनिश्चित काल तक नहीं बढ़ाया जा सकता है, जिससे आगे सिस्टम एकीकरण सीमित हो जाता है। यह एक चिप को कई चिप्स में तोड़ता है, उन्हें अलग-अलग बनाता है, और उन्हें एक इकाई में पैकेज करता है। चिप्स के बीच इंटरकनेक्शन के लिए मजबूत डेटा पथों की आवश्यकता होती है, जैसे कि अल्ट्रा{7}हाई फ़्रीक्वेंसी, अल्ट्रा{8}हाई बैंडविड्थ, और अल्ट्रा{9}लो लेटेंसी, जैसा कि टीएसएमसी के CoWoS द्वारा उदाहरण दिया गया है... उन्नत पैकेजिंग तकनीकों, जैसे कि चिपलेट्स के लिए, ने इस समस्या को हल कर दिया है। चित्र 3 चिपलेट्स से बनी एक विशिष्ट बड़ी चिप संरचना को दर्शाता है। प्रत्येक असतत मॉड्यूल मॉड्यूल के बीच उच्च अलगाव और न्यूनतम पारस्परिक प्रभाव के साथ, अपने डिज़ाइन फ़ंक्शन का एहसास कर सकता है। चिपलेट एकीकरण SoC की तुलना में उच्च एकीकरण घनत्व प्रदान करता है (सिस्टम पर {{16}एक चिप पर) और अखंड विषम एकीकरण की तुलना में कम प्रक्रिया जटिलता, जबकि उत्कृष्ट सिस्टम स्केलेबिलिटी, प्रक्रिया लचीलापन और एकीकरण दक्षता भी प्रदान करता है।

संक्षेप में, माइक्रोसिस्टम एकीकृत उपकरणों के विकास में, उच्च प्रदर्शन, लघुकरण और कम लागत की समग्र प्रवृत्ति ने विभिन्न एकीकरण प्रौद्योगिकियों के समानांतर विकास को प्रेरित किया है। डिवाइस एकीकरण के भीतर अनुकूलन के लिए महत्वपूर्ण जगह है। माइक्रोसिस्टम डिवाइस के प्रदर्शन में सुधार, डिवाइस का आकार कम करने और लागत बचाने के लक्ष्यों को प्राप्त करने के लिए प्रौद्योगिकियों का संयोजन आवश्यक है। पैकेजिंग प्रक्रिया में प्रदर्शन को अनुकूलित करने के लिए विभिन्न पैकेजिंग विधियों के लाभों का उपयोग करना एक व्यवहार्य और प्रभावी दृष्टिकोण है।

3. विश्वसनीयता अनुसंधान

वायरलेस संचार माइक्रोसिस्टम्स के लिए, सेवा वातावरण काफी चरम है। जो सर्किट सिग्नल ट्रांसमिशन, रिसेप्शन और प्रोसेसिंग का एहसास करते हैं, उन्हें उच्च वर्तमान घनत्व और आवृत्तियों का सामना करना पड़ता है, और डिवाइस लाइन हानि के कारण तापमान में वृद्धि भी महत्वपूर्ण है। इसलिए, अत्यधिक एकीकृत उपकरणों को अपने सेवा जीवन के दौरान उच्च {{2}तापमान, उच्च {{3}आवृत्ति, और विस्तृत {{4}तापमान{5}श्रेणी के वातावरण का सामना करना पड़ता है, जिससे आंतरिक सोल्डर जोड़ों और सर्किट की विश्वसनीयता की जांच करना आवश्यक हो जाता है।

इलेक्ट्रॉनिक उत्पादों के निरंतर लघुकरण और हल्केपन के साथ, एकीकृत सर्किट चिप्स में मेटल सोल्डर जॉइंट इंटरकनेक्शन तकनीक का व्यापक रूप से उपयोग किया गया है। उच्च {{1}प्रदर्शन, उच्च{2}डेटा{{3}दर विद्युत सिग्नल ट्रांसमिशन प्राप्त करने के लिए धातु सोल्डर जोड़ एक आवश्यक विधि है। सामान्य सोल्डर जोड़ संरचनाओं को सोल्डर जोड़ों और तांबे के स्तंभ सोल्डर जोड़ों में विभाजित किया गया है, जैसा कि चित्र में दिखाया गया है। जैसा कि चित्र 4 में दिखाया गया है।

1969 में, आईबीएम ने पहली बार इंटरकनेक्शन के लिए कॉपर बॉल सोल्डर जोड़ों की शुरुआत की, सेवा के दौरान सोल्डर गेंदों को विफल होने से रोकने के लिए उन्हें प्रत्येक टर्मिनल पैड में एम्बेड किया। 1970 में, IBM ने सुप्रसिद्ध कंट्रोल्ड कोलैप्स रिफ्लो चिप जॉइनिंग (C4) तकनीक को और विकसित किया। C4 फाइन{7}}पिच बॉल ग्रिड ऐरे (BGA) का एक रूप है और एक प्रकार का सोल्डर जॉइंट भी है। अपने उत्कृष्ट इलेक्ट्रोथर्मल गुणों के कारण, तांबा फ्लिप चिप इंटरकनेक्ट संरचनाओं के लिए एक आदर्श सामग्री है, जो एसएनपीबी या लेड मुक्त सोल्डर की जगह लेता है। बेलनाकार रूप में विद्यमान कॉपर पिलर सोल्डर जोड़, सोल्डर गेंदों की तुलना में चिप पर एकल सोल्डर जोड़ के कनेक्शन क्षेत्र को कम कर सकते हैं, इस प्रकार एक उच्च घनत्व इंटरकनेक्ट संरचना प्राप्त कर सकते हैं। निरंतर विकास के माध्यम से, इसने अंततः तांबे के खंभे के सोल्डर जोड़ों को जन्म दिया जो आज आम तौर पर देखे जाते हैं।

2001 में, आईबीएम ने दोहरी परत संरचना के साथ एक फ्लिप{1}चिप सोल्डर संयुक्त संरचना का प्रस्ताव रखा। निचली धातु परत का पिघलने का तापमान ऊपरी परत की तुलना में कम से कम 20 डिग्री अधिक होता है; इसलिए, सोल्डरिंग प्रक्रिया के दौरान निचली सोल्डर परत पिघलेगी नहीं। 2007 में, इंटेल ने समग्र सोल्डर जोड़ की विश्वसनीयता में सुधार करने के लिए तांबे के खंभे की बाहरी सतह के चारों ओर एक प्रसार अवरोधक परत और एक बाहरी गीला परत लपेटने का प्रस्ताव रखा, और कनेक्शन के लिए गीला परत के शीर्ष पर टिन आधारित सोल्डर का उपयोग किया। सोल्डर जोड़ इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं, यांत्रिक सहायता और विद्युत कनेक्शन प्रदान करते हैं; इसलिए, इलेक्ट्रॉनिक उत्पादों में उनकी विश्वसनीयता निस्संदेह एक प्रमुख चिंता का विषय है। छोटे आकार और उच्च I/O घनत्व की मांग के साथ, इलेक्ट्रॉनिक उत्पादों में सोल्डर जोड़ों की दूरी और आकार लगातार सिकुड़ रहा है, साथ ही सोल्डर जोड़ों और पैकेजों में उच्च तनाव भी आ रहा है [2-]। ली एट अल. कॉपर पिलर सोल्डर जोड़ों के साथ फ्लिप चिप्स (एफसी) की थर्मोमैकेनिकल विश्वसनीयता का अध्ययन किया। एसएन -एजी सोल्डर जोड़ों में दरारें डक्टाइल फ्रैक्चर के कारण होती हैं, जो शुरू में थकान के कारण होती हैं, और फिर रेंगने के कारण माइक्रोपोर के माध्यम से फैलती हैं। IMC इंटरफ़ेस पर फ्रैक्चर मुख्य रूप से CuSns और CuSn चरण इंटरफ़ेस के साथ भंगुर फ्रैक्चर के रूप में होता है। चित्र 7 तांबे के स्तंभ नोड पर दरार की शुरुआत से लेकर पूर्ण फ्रैक्चर तक की प्रक्रिया का एक स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (एसईएम) क्रॉस-सेक्शन दिखाता है। दरार का स्थान मुख्य रूप से तांबे के खंभे के एक तरफ आईएमसी और सोल्डर के बीच इंटरफेस पर या इंटरफेस के पास सोल्डर के अंदर होता है।

जैसे-जैसे एकीकरण घनत्व बढ़ता है, तांबे के खंभे के सोल्डर जोड़ों का आकार कम हो जाता है, जबकि आंतरिक वर्तमान घनत्व और जूल गर्मी बढ़ जाती है। उच्च -घनत्व इलेक्ट्रॉन प्रवाह से प्रेरित होकर, बड़ी संख्या में धातु परमाणु सोल्डर में दिशात्मक प्रवासन से गुजरते हैं, जिससे विश्वसनीयता संबंधी समस्याओं की एक श्रृंखला उत्पन्न होती है (8-9)। अकीबा एट अल. फ्लिप चिप पैकेजिंग में इंटरकनेक्ट तांबे के खंभों पर इलेक्ट्रोमाइग्रेशन (ईएम) तंत्र का अध्ययन किया और पाया कि निकेल बैरियर परत के बिना तांबे के खंभों में निकल बैरियर परत वाले तांबे के खंभों की तुलना में एंटी-ईएम जीवनकाल लगभग दोगुना है।

कॉपर पिलर बम्प इंटरकनेक्ट तकनीक 3डी सिस्टम {{1}इन{2}पैकेज (SiP) में एक प्रमुख तकनीक है। इस संरचना में उत्कृष्ट विद्युत और यांत्रिक गुणों के साथ-साथ उच्च एकीकरण घनत्व और अच्छी स्थिरता जैसे फायदे हैं। यह उच्च परिशुद्धता इंटरकनेक्शन प्राप्त कर सकता है और उच्च घनत्व वाले 3डी पैकेजिंग इंटरकनेक्शन में इसके अनुप्रयोग की संभावनाएं बहुत अच्छी हैं। इस संरचना में उपयोग किए गए सोल्डर में कम इंटरकनेक्शन तापमान होता है, जो कम तापमान वाले बॉन्डिंग को सक्षम बनाता है और चिप सर्किट क्षति के जोखिम को कम करता है, जिससे वेफर स्तर के इंटरकनेक्शन में इसका व्यापक उपयोग होता है।

4. पैकेजिंग थर्मल प्रबंधन

पिछले पाठ में पहले से ही माइक्रोसिस्टम उपकरणों के बारे में बताया गया है... सेवा के दौरान उपकरणों को उच्च तापमान वाले वातावरण का सामना करना पड़ता है, जिससे महत्वपूर्ण आंतरिक गर्मी पैदा होती है। एक कुशल ताप अपव्यय प्रणाली समग्र उपकरण तापमान को कम कर सकती है, सोल्डर जोड़ों और अन्य संरचनाओं की विश्वसनीयता सुनिश्चित कर सकती है, और तापमान से प्रेरित प्रदर्शन में गिरावट के प्रभाव को कम कर सकती है। डिवाइस ताप अपव्यय को सक्रिय और निष्क्रिय शीतलन में विभाजित किया गया है। सक्रिय शीतलन से तात्पर्य बाहरी प्रवाह क्षेत्रों, जैसे वायु प्रवाह या जल प्रवाह, को संवहनी ताप हस्तांतरण के लिए उपकरण पर लागू करना है, जिससे तेजी से ताप संचालन प्राप्त होता है। ऊष्मा स्थानांतरण तीन प्रकार के होते हैं: स्थानांतरण, संवहन और विकिरण। पैकेज की सीमित आंतरिक संरचना को देखते हुए, संवहन और विकिरण ताप हस्तांतरण को समायोजित करने में लचीलापन प्रतिबंधित है। इसलिए, गर्मी लंपटता अनुकूलन को तापीय चालकता में सुधार और गर्मी हस्तांतरण पथ को कम करने पर ध्यान केंद्रित करना चाहिए। उदाहरण के लिए, हीट सिंक (चित्र 8 देखें) का उपयोग आमतौर पर समग्र ताप हस्तांतरण दक्षता में सुधार के लिए संवहन इंटरफ़ेस क्षेत्र को बढ़ाने और प्रवाह क्षेत्र के साथ संपर्क करने के लिए किया जाता है। हालाँकि, इसकी बड़ी मात्रा के कारण, यह संरचना केवल बाहरी आवरण में गर्मी अपव्यय के लिए उपयुक्त है और गर्मी संचालन के लिए सीधे चिप से संपर्क नहीं कर सकती है। संवहन ऊष्मा अंतरण सूत्र के अनुसार, ऊष्मा अंतरण क्षेत्र बढ़ाने से समग्र ऊष्मा अंतरण में सुधार हो सकता है।

चूंकि चिप मॉड्यूल आवरण के अंदर समाहित होता है, इसलिए आवरण के अंदर प्रवाह क्षेत्र को समायोजित करना जटिल और कठिन होता है, और यह समग्र उपकरण की मात्रा को भी बढ़ाता है और बिजली घनत्व को कम करता है। इसलिए, निष्क्रिय गर्मी लंपटता, यानी, कुशल गर्मी चालन, का उपयोग डिवाइस के अंदर गर्मी को खत्म करने के लिए किया जाता है, जबकि आवरण के बाहर गर्मी हस्तांतरण प्रवाह क्षेत्र सूत्र को लागू करने से कुशल गर्मी अपव्यय प्राप्त होता है। इस शर्त के तहत कि गर्मी हस्तांतरण विधि और इंटरफ़ेस क्षेत्र को बदला नहीं जा सकता है, डिवाइस के अंदर गर्मी हस्तांतरण दक्षता में सुधार करने का साधन उच्चतम संभव तापीय चालकता वाली सामग्रियों का उपयोग करना, गर्मी स्रोत के साथ संपर्क सुनिश्चित करना और गर्मी स्थानांतरित करने के लिए गर्मी चालन पथ को कम करना है... बाहर की ओर यह गर्मी हस्तांतरण उपकरणों की लघुकरण आवश्यकताओं के साथ संरेखित होता है। चिप इंटरकनेक्शन के लिए नैनो-सिल्वर सोल्डर का उपयोग करने से डिवाइस का आकार और चिप और बाहरी हीट एक्सचेंजर्स के बीच हीट ट्रांसफर दूरी कम हो जाती है। इसके साथ ही, चांदी की उच्च तापीय चालकता तेजी से गर्मी हस्तांतरण को सक्षम बनाती है।

पावर सेमीकंडक्टर उपकरणों के लिए, पैकेज के भीतर इंटरकनेक्ट सामग्री जंक्शन तापमान को सीमित करने वाली बाधा बन जाती है। पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक पैकेजिंग में टिन आधारित कम तापमान वाले सोल्डर का उपयोग किया जाता है, जिनका गलनांक आमतौर पर 300 डिग्री से कम होता है। इस प्रक्रिया का उपयोग करके पैक किए गए सेमीकंडक्टर मॉड्यूल को आमतौर पर 150 डिग्री से नीचे जंक्शन तापमान की आवश्यकता होती है। अत्यधिक उच्च तापमान पर, सोल्डर जोड़ का प्रदर्शन तेजी से ख़राब हो जाता है, जिससे डिवाइस की विश्वसनीयता प्रभावित होती है। हालाँकि, बिजली उपकरणों की परिचालन विशेषताएँ तय करती हैं कि उन्हें उच्च तापमान पर काम करना चाहिए, आमतौर पर [एक निश्चित तापमान सीमा] से अधिक। तापमान 150 डिग्री तक पहुंच सकता है, और कुछ मामलों में तो 200 डिग्री से भी अधिक हो सकता है। इसलिए, Au80Sn20 जैसे बिजली उपकरणों की सेवा शर्तों से मेल खाने के लिए उच्च तापमान वाले सोल्डर की आवश्यकता होती है। जबकि Au80Sn20 उच्च तापीय चालकता, उच्च रेंगना दर और रासायनिक संक्षारण प्रतिरोध जैसे लाभ प्रदान करता है, सोना और टिन कनेक्शन और सेवा के दौरान बड़ी मात्रा में भंगुर इंटरमेटेलिक यौगिकों का उत्पादन करेंगे, जिससे धातुकर्म जोड़ में भंगुर फ्रैक्चर हो जाएगा। इसके अलावा, वेल्डिंग उपकरणों के लिए पारंपरिक सोल्डर में कम तापीय चालकता होती है। यह कम तापीय चालकता गर्मी को डिवाइस से गर्मी अपव्यय मॉड्यूल में स्थानांतरित करना मुश्किल बना देती है, जिसके परिणामस्वरूप कनेक्शन परत में उच्च तापमान का अंतर होता है और गर्मी अपव्यय मॉड्यूल की प्रभावशीलता में बाधा आती है।

नैनोपार्टिकल पेस्ट से तात्पर्य धातु सामग्री को नैनोस्केल पाउडर में तैयार करके बनाई गई सामग्री से है। नैनोमटेरियल्स की उच्च सतह ऊर्जा का उपयोग करके, कम तापमान पर इंटरकनेक्ट प्राप्त किया जा सकता है। कनेक्टिंग सामग्री को स्वयं 300 डिग्री से नीचे एक छिद्रपूर्ण थोक सामग्री में सिंटर किया जा सकता है, जो विद्युत कनेक्शन और गर्मी हस्तांतरण को संभालने में सक्षम है। सिंटर्ड नैनोकण पेस्ट परत का पिघलने बिंदु थोक धातु के करीब हो सकता है (उदाहरण के लिए, चांदी का पिघलने बिंदु 961 डिग्री है), पूरी तरह से बिजली उपकरणों की सेवा आवश्यकताओं को पूरा करता है। इसके अलावा, सबसे सामान्य नैनो{{8}सिल्वर पेस्ट सिंटेड परत की तापीय चालकता 150 W/(mK) तक पहुंच सकती है, जो पारंपरिक टिन -लीड सोल्डर की तुलना में तीन गुना अधिक है।

1989 में, श्वार्ज़हाउर और कुह्नर्ट ने पहली बार कम तापमान वाले सिंटर्ड सिल्वर पेस्ट का उपयोग करके चिप सब्सट्रेट इंटरकनेक्शन हासिल किया। यह बिजली उपकरणों की इलेक्ट्रॉनिक पैकेजिंग में पाउडर सिंटरिंग तकनीक का पहला अनुप्रयोग था और यह नैनो पेस्ट का प्रोटोटाइप था। इस विधि में माइक्रोन आकार के चांदी के टुकड़ों का उपयोग किया गया, जिनकी सिंटरिंग गतिविधि खराब थी और सोल्डर जोड़ों को सघन करने के लिए बहुत अधिक सिंटरिंग दबाव और तापमान की आवश्यकता होती थी, जिससे इसका उपयोग गंभीर रूप से सीमित हो गया।

2005 में, Ide... [लेखकों के नाम] ने पहली बार चांदी के नैनोकणों को इंटरकनेक्ट सामग्री के रूप में उपयोग करने का प्रस्ताव दिया था!2 चांदी धातु का पिघलने बिंदु 961 डिग्री तक होता है, जो उच्च ऊर्जा उपकरणों की कठोर उच्च तापमान सेवा शर्तों या कुछ चरम स्थितियों (जैसे भूमिगत अन्वेषण, ऑटोमोटिव इंजन आंतरिक घटक इत्यादि) के तहत सेवा आवश्यकताओं को पूरा कर सकता है। नैनोस्केल पर, चांदी के कणों को 200 डिग्री से भी कम तापमान पर सिंटर किया जा सकता है। चांदी के पदार्थ रासायनिक रूप से स्थिर होते हैं। नैनोकणों की उच्च विशिष्ट सतह ऊर्जा के कारण, साधारण धातु के नैनोकण हवा में आसानी से ऑक्सीकृत हो जाते हैं और लंबे समय तक संग्रहीत करना मुश्किल होता है, जबकि चांदी के नैनोकण लंबे समय तक हवा में स्थिर रह सकते हैं, जिससे उन्हें संग्रहीत करना और परिवहन करना आसान हो जाता है। सिल्वर नैनोकण पेस्ट में कुछ कमियां भी हैं, जैसे उच्च तापमान वाले विद्युत संचालन के दौरान विद्युत-प्रवासन की प्रवृत्ति और आर्द्र वातावरण में उपयोग किए जाने पर विद्युत रासायनिक प्रवासन प्रतिक्रियाएं।

माइक्रोसिस्टम आर्किटेक्चर के संदर्भ में, गर्मी अपव्यय प्रणाली को दो मुख्य मॉड्यूल में विभाजित किया जाना चाहिए: चिप शीतलन चक्र और सिस्टम शीतलन चक्र पर।³¹उच्च शक्ति मॉड्यूल की ताप अपव्यय आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए, डिवाइस को सामग्री और संरचनात्मक दोनों दृष्टिकोणों से डिजाइन करने की आवश्यकता है। सामग्री की तापीय चालकता काफी अधिक होनी चाहिए और इंटरफ़ेस कसकर बंधा होना चाहिए। समग्र संरचनात्मक डिजाइन को पर्याप्त संवहन ताप हस्तांतरण क्षेत्र सुनिश्चित करना चाहिए और बिजली ताप स्रोत और ताप हस्तांतरण इंटरफ़ेस जितना संभव हो उतना करीब होना चाहिए। माइक्रोसिस्टम उपकरणों के विश्वसनीय संचालन को सुनिश्चित करने के लिए तापीय प्रवाहकीय सामग्रियों का चयन एक महत्वपूर्ण कदम है। आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले तापीय प्रवाहकीय चिपकने वाले पदार्थों की तुलना में, नैनो -सिल्वर सोल्डर पेस्ट में न केवल 100 W/(mK) से अधिक की उच्च तापीय चालकता होती है, बल्कि अच्छा यांत्रिक समर्थन और विद्युत चालकता भी प्रदान करता है, जो विद्युत संकेतों के अंतर्संबंध को सक्षम बनाता है। वास्तविक माप से पता चलता है कि नैनो - सिल्वर सोल्डर पेस्ट 27 एमपीए से अधिक की औसत कतरनी ताकत के साथ -40 ~ 150 डिग्री की सीमा में थर्मल साइक्लिंग लोड के तहत विश्वसनीय सेवा की गारंटी दे सकता है।²लियू जियाक्सिन एट अल।²उच्च {{1}शक्ति प्रकाश {{2}उत्सर्जक डायोड (एलईडी) चिप्स को पैकेज करने के लिए नैनो{0}सिल्वर के साथ एक दबाव रहित सिंटरिंग विधि का उपयोग किया गया, जिससे जंक्शन तापमान को 21.2% तक सफलतापूर्वक कम किया गया। यह दर्शाता है कि पैकेजिंग के लिए हीट ट्रांसफर माध्यम परत के रूप में नैनो - सिल्वर सोल्डर पेस्ट में उच्च तापीय चालकता होती है और यह माइक्रोसिस्टम उपकरणों में गर्मी अपव्यय के लिए एक आदर्श सामग्री है।

आईजीबीटी (इंसुलेटेड गेट बाइपोलर ट्रांजिस्टर) उपकरणों को नैनो{0}}सिल्वर सोल्डर पेस्ट का उपयोग करके मो सब्सट्रेट से जोड़ने की प्रक्रिया चिप और मोलिब्डेनम सब्सट्रेट के बीच एक मजबूत बंधन सुनिश्चित करती है। यह प्रभावी ढंग से इंटरफेशियल थर्मल प्रतिरोध और संपर्क प्रतिरोध को कम करता है, जिससे गर्मी स्रोत और गर्मी चालन पथ दोनों दृष्टिकोणों से कुशल गर्मी लंपटता प्राप्त होती है। हू योंगफैंग एट अल। [28] ने एमसीएम (मल्टी{6}}चिप मॉड्यूल) की 3डी पैकेजिंग संरचना पर एक थर्मल सिमुलेशन अध्ययन किया, जिसमें पारंपरिक वायर बॉन्डिंग के बजाय नैनो{8}}सिल्वर सोल्डर पेस्ट का उपयोग करके घटक के समग्र तापमान वृद्धि को 35 डिग्री से एकल अंकों तक सफलतापूर्वक कम किया गया।

नैनो-सिल्वर सोल्डर की शुरूआत से इंटरफेशियल संपर्क क्षेत्र बढ़ता है और तापीय चालकता में सुधार होता है। इसके अलावा, डिवाइस की मात्रा कम होने के कारण, गर्मी हस्तांतरण पथ और भी छोटा हो गया है। इसलिए, आरएफ माइक्रोसिस्टम उपकरणों में गर्मी अपव्यय को अनुकूलित करने के लिए नैनो - सिल्वर सोल्डर का उपयोग विश्वसनीय और प्रभावी है।

5। उपसंहार

एक माइक्रोसिस्टम के भीतर घटकों का एकीकरण समग्र सिस्टम के आकार, प्रक्रिया विश्वसनीयता, थर्मल प्रदर्शन, पावर ट्रांसमिशन प्रदर्शन, एकीकरण घनत्व, लागत और लचीलेपन पर उच्च मांग रखता है। इसलिए, विश्वसनीय माइक्रोसिस्टम एकीकरण प्राप्त करने के लिए उन्नत पैकेजिंग तकनीक महत्वपूर्ण है। वायरलेस संचार माइक्रोसिस्टम्स के विकास के साथ-साथ कई एकीकरण प्रौद्योगिकियों का समानांतर विकास भी होता है। उच्च प्रदर्शन, लघुकरण और कम लागत की समग्र प्रवृत्ति के तहत, विभिन्न पैकेजिंग विधियों का संयोजन वायरलेस संचार माइक्रोसिस्टम्स के भविष्य के विकास, डिवाइस के आकार को कम करने और लागत बचाने के लिए महत्वपूर्ण संभावनाएं प्रदान करता है। वायरलेस संचार माइक्रोसिस्टम्स के लिए बहुक्रियाशील, उच्च प्रदर्शन और अत्यधिक विश्वसनीय विकास मॉडल प्राप्त करने के लिए भविष्य के विकास को अधिक विविध और सुविधाजनक पैकेजिंग विधियों पर ध्यान केंद्रित करना चाहिए। इसलिए, बढ़ती बिजली घनत्व के साथ, माइक्रो - सोल्डर संयुक्त संरचनाओं की सेवा विश्वसनीयता और थर्मल डिज़ाइन माइक्रोसिस्टम के सामान्य संचालन में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। इंटरकनेक्ट सोल्डर जोड़ों की विश्वसनीयता पर शोध करना और उपयुक्त गर्मी अपव्यय सामग्री ढूंढना माइक्रोसिस्टम्स के विकास के लिए बहुत महत्वपूर्ण है।