Wolfspeed 300 mm 碳化硅技術(shù)：下一代 AI 與高性能計(jì)算先進(jìn)封裝的材料基礎(chǔ)

作者：Elif Balkas，Wolfspeed 首席技術(shù)官

人工智能 (AI) 工作負(fù)載的快速增加，正在從根本上重塑數(shù)據(jù)中心的架構(gòu)，推動封裝尺寸、功率密度和集成復(fù)雜度達(dá)到前所未有的水平。在持續(xù)的高工作負(fù)載條件下，傳統(tǒng)封裝材料受到其熱學(xué)、機(jī)械和電氣性能極限的制約。本文探討了 Wolfspeed 的 300 mm 碳化硅 (SiC) 技術(shù)平臺如何為下一代人工智能 (AI) 和高性能計(jì)算 (HPC) 異構(gòu)封裝架構(gòu)提供可規(guī)?；牟牧匣A(chǔ)，從而在熱管理、機(jī)械完整性和電氣集成方面實(shí)現(xiàn)新的突破，并與行業(yè)制造基礎(chǔ)設(shè)施對齊。

1. 人工智能 (AI) 與高性能計(jì)算 (HPC) 的封裝挑戰(zhàn)

人工智能 (AI) 與高性能計(jì)算 (HPC) 的集成發(fā)展路線要求封裝解決方案的尺寸增大至三倍，集成更多樣化的功能，并支持高達(dá)五倍的功率耗散。這些趨勢正將現(xiàn)有封裝架構(gòu)推向可用材料的極限，導(dǎo)致熱梯度、機(jī)械可靠性風(fēng)險以及功率傳輸效率低下等問題，而這些問題使用傳統(tǒng)的硅或有機(jī)基板難以解決。

2. 為什么碳化硅是答案

單晶碳化硅獨(dú)特地結(jié)合了其他任何可規(guī)模化半導(dǎo)體基板所不具備的材料特性：

熱性能：熱導(dǎo)率為 370 – 490 W/m·K，是硅的三倍，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的橫向和縱向熱擴(kuò)散。

機(jī)械穩(wěn)健性：高硬度、高強(qiáng)度和高熱穩(wěn)定性支持大面積多芯片芯粒 (chiplet) 組裝和高帶寬內(nèi)存 (HBM) 堆疊。

電氣性能：高電阻率和介電強(qiáng)度可實(shí)現(xiàn)更高的布線密度、低損耗信號傳輸，并簡化功率傳輸和隔離結(jié)構(gòu)的集成。

這些特性的融合使得在單個可擴(kuò)展封裝材料平臺內(nèi)，能夠在熱學(xué)、機(jī)械和電氣領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)性能的協(xié)同提升。

3. 為什么 300 mm 至關(guān)重要

向 300 mm 碳化硅晶圓尺寸的轉(zhuǎn)型，使先進(jìn)封裝材料與前沿的半導(dǎo)體制造和晶圓級封裝工藝保持一致，并充分利用了現(xiàn)有的行業(yè)工具和基礎(chǔ)設(shè)施。這不僅實(shí)現(xiàn)了可重復(fù)、大規(guī)模生產(chǎn)的可制造性，同時也支持成本優(yōu)化和生態(tài)系統(tǒng)兼容性。

此外，300 mm 平臺使得制造更大的中介層和熱擴(kuò)散組件成為可能，從而支持行業(yè)向日益增大的封裝尺寸和更復(fù)雜的異構(gòu)集成方向發(fā)展。

4. 先進(jìn)封裝創(chuàng)新的更大價值

Wolfspeed 的碳化硅平臺在封裝堆疊的多個層面都創(chuàng)造了價值：

碳化硅熱擴(kuò)散組件能夠?qū)崿F(xiàn)多向熱傳導(dǎo)，增加有效冷卻面積并緩解局部熱點(diǎn)。

碳化硅基中介層增強(qiáng)了橫向和縱向熱擴(kuò)散，解決了人工智能 (AI) 持續(xù)工作負(fù)載下的散熱瓶頸問題。

新興的異構(gòu)集成趨勢進(jìn)一步放大了碳化硅在系統(tǒng)層面的影響：

直接芯片（Direct-to-chip, D2C）液體冷卻：允許設(shè)計(jì)工程化的表面結(jié)構(gòu)，以改善芯片到冷卻劑的熱傳遞。

封裝內(nèi)功率傳輸（In-package power delivery, IPPD）：支持集成功率傳輸和隔離結(jié)構(gòu)，縮短功率傳輸路徑并改善電壓調(diào)節(jié)。

5. 展望未來

隨著行業(yè)朝更高功率計(jì)算解決方案邁進(jìn)，Wolfspeed 300 mm 碳化硅平臺為下一代人工智能 (AI) 和高性能計(jì)算 (HPC) 系統(tǒng)提供了可靠的基礎(chǔ)。通過與正在合作的伙伴評估計(jì)劃，Wolfspeed 與生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴及研究機(jī)構(gòu)緊密協(xié)作，共同評估技術(shù)可行性、性能優(yōu)勢、可靠性以及集成路徑。這種協(xié)作方式旨在加速學(xué)習(xí)進(jìn)程，降低采用風(fēng)險，并幫助行業(yè)為未來人工智能 (AI) 工作負(fù)載所需的碳化硅-硅混合封裝架構(gòu)做好準(zhǔn)備。

關(guān)于 Wolfspeed, Inc.

Wolfspeed（美國紐約證券交易所上市代碼：WOLF）在全球范圍內(nèi)推動碳化硅技術(shù)采用方面處于市場領(lǐng)先地位，這些碳化硅技術(shù)為全球最具顛覆性的創(chuàng)新成果提供了動力支持。作為碳化硅領(lǐng)域的引領(lǐng)者和全球最先進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)的創(chuàng)新者，我們致力于為人人享有的美好世界賦能。Wolfspeed 通過面向各種應(yīng)用的碳化硅材料、功率模塊、分立功率器件和功率裸芯片產(chǎn)品，助您實(shí)現(xiàn)夢想，成就非凡 (The Power to Make It Real)。