चित्र 1: चिप पैकेज क्रॉस-सेक्शन – नमी प्रवेश मार्ग। 2.5डी एआई चिप पैकेज का लंबवत क्रॉस-सेक्शन। नीचे से ऊपर तक परतें: पीसीबी/एफआर-4, बीजीए सोल्डर बॉल, ऑर्गेनिक पैकेज सब्सट्रेट, अंडरफिल एपॉक्सी, कंप्यूट डाई 1 (नीचे), लॉजिक डाई 2 (मध्य), एचबीएम/लॉजिक डाई 3 (ऊपर), माइक्रो-बंप इंटरकनेक्ट, एपॉक्सी मोल्ड कंपाउंड, टीआईएम (थर्मल इंटरफ़ेस सामग्री), और एकीकृत हीट स्प्रेडर (आईएचएस)। सियान लहरदार तीर नमी के प्रवेश के तीन रास्ते दिखाते हैं; लाल दीर्घवृत्त अंडरफिल क्षेत्र को प्राथमिक संघनन और इलेक्ट्रो केमिकल माइग्रेशन (ईसीएम) जोखिम क्षेत्र के रूप में चिह्नित करता है।
जैसे-जैसे एआई एक्सेलेरेटर पैकेज सघन होते जा रहे हैं और बिजली का बजट प्रति सॉकेट 1 किलोवाट से अधिक हो रहा है, थर्मल प्रबंधन पर उद्योग के निर्धारण ने एक और अधिक घातक विश्वसनीयता खतरे को अनदेखा कर दिया है। नमी – इसका प्रसार, चरण संक्रमण और विद्युत रासायनिक परिणाम – अब उसी कठोरता के पात्र हैं जो इंजीनियरों ने लंबे समय से जंक्शन तापमान को दी है।
उन्नत एआई एक्सेलेरेटर कई विषम डाइज़ – लॉजिक, हाई-बैंडविड्थ मेमोरी, फोटोनिक इंटरकनेक्ट – को ऐसे पैकेजों में स्टैक करते हैं, जिनके आंतरिक सतह क्षेत्र एक मोनोलिथिक डिवाइस में प्राप्त होने वाली किसी भी चीज़ को बौना बना देते हैं। प्रत्येक सामग्री इंटरफ़ेस एक संभावित नमी भंडार और एक अव्यक्त विश्वसनीयता घटना है।
तैनाती के संदर्भ में चुनौती और बढ़ गई है। एआई हार्डवेयर डेटासेंटर में काम करता है जहां आर्द्रता नियंत्रित होती है लेकिन शायद ही कभी स्थिर होती है। आश्रय (अमेरिकन सोसाइटी ऑफ हीटिंग, रेफ्रिजरेटिंग एंड एयर-कंडीशनिंग इंजीनियर्स) ए1-श्रेणी की सुविधाएं 5.5 डिग्री सेल्सियस से 15 डिग्री सेल्सियस के ओस-बिंदु आवरण को लक्षित करती हैं, लेकिन कूलिंग स्विचओवर या इकोनॉमाइज़र चक्र के दौरान क्षणिक भ्रमण उस बैंड के बाहर स्थितियों को धक्का देता है। पांच वर्षों में हजारों घंटे जमा करने वाली चिप के लिए, यहां तक कि दुर्लभ संक्षेपण घटनाएं भी वास्तविक संचयी जोखिम उठाती हैं।
नमी कैसे आती है
इंजीनियर कभी-कभी फ्लिप-चिप बीजीए के मोल्ड कंपाउंड को एक हेमेटिक सील के रूप में मानते हैं। यह नहीं है। एपॉक्सी-आधारित एनकैप्सुलेंट नमी-पारगम्य हैं; भराव लोडिंग और इलाज रसायन शास्त्र के आधार पर प्रसार गुणांक 10⁻¹² से 10⁻¹⁰ m²/s तक होता है। 35 डिग्री सेल्सियस और 60% आरएच पर एक आधुनिक ओवर मोल्ड कुछ ही दिनों में संतुलन नमी सामग्री तक पहुंच जाता है।
अधिक खतरनाक मार्ग थोक के बजाय इंटरफ़ेशियल है। मोल्ड कंपाउंड और सब्सट्रेट लैमिनेट, या अंडरफिल और डाई पैसिवेशन के बीच की सीमा, बल्क पॉलिमर की तुलना में कम परिमाण के प्रसार प्रतिरोध आदेश प्रस्तुत करती है – थर्मल साइक्लिंग के दौरान थर्मल विस्तार (सीटीई) संचालित तनाव के गुणांक से सतह ऊर्जा बेमेल और सूक्ष्म रिक्तियों के माध्यम से। चिपलेट आर्किटेक्चर इसे और खराब कर देता है: एक 2.5डी पैकेज कई अंडरफिल केमिस्ट्री, एक कार्बनिक इंटरपोजर और सिलिकॉन वाया साइडवॉल के माध्यम से, प्रत्येक एक अलग नमी इंटरफ़ेस पेश करता है। एक बड़े AI त्वरक पैकेज का आंतरिक सतह क्षेत्र दर्जनों पारंपरिक सिंगल-डाई उपकरणों से अधिक हो सकता है।
संघनन का खतरा
चिलर स्विचओवर के दौरान, इनलेट हवा का तापमान मिनटों में 10 डिग्री सेल्सियस गिर जाता है, जबकि पूर्ण नमी स्थिर रहती है, जिस समय कोल्ड-प्लेट की सतह स्थानीय ओस बिंदु से नीचे गिरती है, सापेक्ष आर्द्रता 45% से 80% तक बढ़ जाती है।
चित्र 2: साइकोमेट्रिक जोखिम मानचित्र – सापेक्ष आर्द्रता बनाम तापमान। एक्स-अक्ष: परिवेश तापमान (डिग्री सेल्सियस), 0-80। Y-अक्ष: सापेक्षिक आर्द्रता (%RH), 10-100। रंग क्षेत्र: हरा = सुरक्षित (<40% आरएच), एम्बर = सावधानी (40-70%), लाल = संक्षेपण/संक्षारण जोखिम (> 70%)। नीली घुमावदार रेखाएँ आइसो-ओस-बिंदु आकृति (T_dew 5-45 डिग्री सेल्सियस) हैं; मोटी लाल क्षैतिज रेखा = 100% आरएच संतृप्ति सीमा; डार्क रेक्टेंगल = ASHRAE A1 डेटासेंटर ऑपरेटिंग लिफाफा; नारंगी तारा = प्रतिनिधि संघनन प्रारंभ बिंदु।
पैकेज-स्तरीय पावर साइकलिंग इसे संयोजित करती है। निष्क्रिय से पूर्ण प्रशिक्षण कार्यभार में परिवर्तन, जंक्शन तापमान सेकंड में 40-60 डिग्री सेल्सियस बढ़ जाता है। पैकेज की सतह गर्म रहने तक परिवेश के करीब लंबे समय तक बनी रहती है, जिससे स्नातक थर्मल कंडीशनिंग के बिना हर पावर-ऑन चक्र पर स्थानीयकृत संक्षेपण हो सकता है।
दीर्घ-फ़्यूज़ विफलता
80-105°C जंक्शन तापमान और 0.7-1.0V आपूर्ति पर, तांबे के इंटरकनेक्ट के साथ आयनिक संपर्क में नमी इलेक्ट्रोकेमिकल प्रवास को प्रेरित करती है। पतली फिजियोसॉर्बड जल फिल्में संक्षेपण सीमा के नीचे विघटन और वृक्ष के समान वृद्धि के लिए पर्याप्त आयनिक चालकता प्रदान करती हैं। प्रेरक शक्ति विद्युत क्षेत्र है: 10μm अंतराल में 1V 100kV/m उत्पन्न करता है – लाखों घंटों के बजाय हजारों में एक प्रवाहकीय डेंड्राइट विकसित करने के लिए पर्याप्त है। 2μm पर पुनर्वितरण परत पिच फैन-आउट पैकेजिंग में आम है, समय-से-विफलता आनुपातिक रूप से कम हो जाती है।
चित्र 3: इलेक्ट्रोकेमिकल माइग्रेशन – कॉपर डेन्ड्राइट वृद्धि योजनाबद्ध। एक ढांकता हुआ सब्सट्रेट पर दो तांबे के पैड (एनोड बाएं, कैथोड दाएं) एक लागू वोल्टेज स्रोत से जुड़े होते हैं। नारंगी तीर विद्युत क्षेत्र को दर्शाते हैं; नीले बिंदु Cu²⁺ आयन हैं जो एक अधिशोषित जल फिल्म के पार कैथोड की ओर पलायन कर रहे हैं; कैथोड से निकलने वाली लाल शाखा संरचना कॉपर डेंड्राइट है – शॉर्ट-सर्किट अग्रदूत।
भौतिक शॉर्टिंग होने से पहले प्रभाव सिग्नल अखंडता तक फैलता है। ऑन-पैकेज नमी पॉलिमर ढांकता हुआ स्थिरांक को बदल देती है, जिससे पारंपरिक सिग्नल अखंडता गिरावट से अलग-अलग मल्टी-गीगाहर्ट्ज अंतर जोड़े पर टीएक्स/आरएक्स मार्जिन कम हो जाता है। नियंत्रित आर्द्रता के तहत आई-मास्क अनुपालन से गुजरने वाला एक चैनल निरंतर उच्च-आर्द्रता क्षेत्र संचालन के बाद मामूली प्रदर्शन दिखा सकता है।
तापीय ढाल जटिलता
उन्नत AI पैकेज इज़ोटेर्मल नहीं हैं। एक एकल पदचिह्न के भीतर सबसे गर्म कंप्यूट टाइल्स और कूलर सब्सट्रेट किनारों के बीच 40 डिग्री सेल्सियस ग्रेडिएंट मौजूद हो सकता है। यह थर्मोफोरेटिक नमी पुनर्वितरण को संचालित करता है: वाष्प गर्म क्षेत्रों से पलायन करता है और ठंडे क्षेत्रों में संघनित होता है – ठीक बीजीए परिधि और सब्सट्रेट किनारों पर जहां विद्युत रासायनिक और यांत्रिक क्षति सबसे अधिक होती है।
चित्र 4: थर्मल ग्रेडिएंट मानचित्र – थर्मोफोरेटिक नमी पुनर्वितरण (शीर्ष दृश्य)। टॉप-डाउन थर्मल हीट मैप: गर्म केंद्र पर लाल-नारंगी (~105°C) से लेकर ठंडी परिधि पर नीला (~65°C), दाईं ओर रंग स्केल बार के अनुसार। सफेद रूपरेखा पांच चिपलेट टाइलें दिखाती है (कंप्यूट डाई, एचबीएम स्टैक बाएं/दाएं, आई/ओ डाई बाएं/दाएं); संकेंद्रित सफ़ेद दीर्घवृत्त इज़ोटेर्मल आकृति हैं; कोनों पर सियान दीर्घवृत्त केंद्र से बाहर की ओर इशारा करते हुए थर्मोफोरेटिक तीरों के साथ नमी संचय क्षेत्रों को चिह्नित करते हैं।
अवशोषित नमी के साथ बार-बार थर्मल साइकिलिंग एक युग्मित मैकेनो-रासायनिक तंत्र के माध्यम से प्रदूषण को तेज करती है: हाइग्रोस्कोपिक सूजन इंटरफेशियल आसंजन ऊर्जा को कम करती है जबकि सीटीई बेमेल दरार प्रसार को प्रेरित करता है। समान तापमान और आर्द्रता पर मानक उच्च त्वरित तनाव परीक्षण (HAST) क्षेत्र विफलता वितरण को पुन: उत्पन्न करने में विफल हो सकता है, जहां लगातार थर्मल ग्रेडिएंट परीक्षण द्वारा कम से कम तनाव वाले क्षेत्रों में क्षति को केंद्रित करते हैं।
सिस्टम-स्तरीय इंटरैक्शन
आर्द्रता की पहुंच पैकेज से आगे तक फैली हुई है। उच्च-प्रदर्शन पीसीबी लैमिनेट्स 0.05-0.15 की डीके शिफ्ट प्रदर्शित करते हैं क्योंकि नमी की मात्रा वजन के अनुसार 0-1% से बढ़ जाती है – पीसीआईई जेन 5 या सीएक्सएल (कंप्यूट एक्सप्रेस लिंक) 2.0 ट्रेस पर 32 जीटी/एस पर स्क्यू बजट को कम करने के लिए पर्याप्त है। अलग करने योग्य कनेक्टर संपर्क उच्च आर्द्रता वाले वातावरण में त्वरित ऑक्साइड वृद्धि का सामना करते हैं, जो कि क्वालिफिकेशन साइक्लिंग की भविष्यवाणी से भी तेज है। लिक्विड-कूल्ड सिस्टम और जोखिम बढ़ाते हैं: कोल्ड-प्लेट सतहें अक्सर परिवेशीय ओस बिंदु तक पहुंचती हैं, और क्षणिक के दौरान संघनन अव्यक्त विद्युत रासायनिक क्षति शुरू कर सकता है।
चित्र 5: सिस्टम-स्तरीय आर्द्रता जोखिम – पैकेज, कनेक्टर और कोल्ड-प्लेट। सर्वर असेंबली का फ्रंट-एलिवेशन। केंद्र स्तंभ ऊपर से नीचे: लेबल वाले शीतलक इनलेट/आउटलेट पाइप और सियान संक्षेपण बूंदों के साथ तरल शीतलन कोल्ड-प्लेट; आईएचएस के साथ एआई एक्सेलेरेटर पैकेज, मोल्ड बॉडी और नारंगी नमी-प्रवेश फ्लैंक के साथ गोल्ड बीजीए सोल्डर बॉल्स; सोने तांबे के निशान के साथ सर्वर पीसीबी। बाईं ओर: गोल्ड संपर्क उंगलियों और लाल संपर्क-ऑक्सीकरण जोखिम दीर्घवृत्त के साथ PCIe/CXL कनेक्टर। ऊपरी-बाएँ: पैकेज और कोल्ड-प्लेट की ओर धराशायी प्रसार तीरों के साथ परिवेशी आर्द्रता बादल।
शमन रणनीतियाँ
सामग्री-स्तर की प्रतिक्रियाएँ तंत्र को ख़त्म किए बिना सीमा को स्थानांतरित कर देती हैं। गेटर्स एमईएमएस और ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स में सिद्ध परिमित-क्षमता सुरक्षा प्रदान करते हैं, लेकिन डेटासेंटर एक्सपोजर के पांच साल के लिए एक डिसिकेंट को आयाम देना गैर-तुच्छ है। थर्मल कंडीशनिंग इंटरलॉक के साथ सिस्टम-स्तरीय ओस-बिंदु संवेदन जो पूर्ण कार्यभार को सक्षम करने से पहले चिप तापमान को रैंप करता है, कोल्ड-स्टार्ट संक्षेपण को समाप्त करता है। एआई पैकेज स्थितियों के लिए मान्य युग्मित थर्मो-हाइग्रो-मैकेनिकल-इलेक्ट्रोकेमिकल सिमुलेशन फ़िडेलिटी थर्मल मॉडलिंग तक पहुंचने पर मौजूद नहीं है। उन्नत पैकेजिंग डाइइलेक्ट्रिक्स के लिए सामग्री संपत्ति डेटाबेस विरल रहते हैं।
क्रियाएँ और अनुसंधान प्राथमिकताएँ
चार ठोस कदम इसे स्वीकृत जोखिम से प्रबंधित जोखिम की ओर ले जा सकते हैं। सबसे पहले, JEDEC नमी संवेदनशीलता स्तर परीक्षण को एक परिचालन पूर्वाग्रह संस्करण में विस्तारित करें: 1,000 घंटों के लिए 85°C/85% RH पर आर्द्रता कक्ष के अंदर काम करने वाले वोल्टेज और आवृत्ति पर चलने वाले उपकरण, सक्रिय I/O लेन पर लीकेज करंट और बिट-त्रुटि दर की निरंतर इन-सीटू निगरानी के साथ – वास्तविक विद्युत तनाव के तहत इलेक्ट्रोकेमिकल माइग्रेशन को कैप्चर करना जो स्थिर HAST नहीं कर सकता।
दूसरा, नमी सोखने के दौरान पैकेज में 30-40 डिग्री सेल्सियस का अंतर लागू करने वाले ग्रेडिएंट एचएएसटी प्रोटोकॉल विकसित करें, जिससे परिधि की ओर नमी को मजबूर किया जा सके जैसा कि सेवा में होता है; ऐसे नमूनों के क्रॉस-सेक्शन इज़ोटेर्मल परीक्षण कलाकृतियों के बजाय क्षेत्र-प्रासंगिक क्षति स्थलों को प्रकट करते हैं।
तीसरा, उन्नत पैकेजिंग सामग्री – लो-डीके मोल्ड यौगिक, पॉलीमाइड पुनर्वितरण डाइलेक्ट्रिक्स, हाइब्रिड बॉन्डिंग ऑक्साइड इंटरफेस – के लिए मान्य नमी प्रसार और सोर्शन इज़ोटेर्म डेटाबेस का निर्माण करें – जो वास्तव में पूर्वानुमानित सिमुलेशन को सक्षम करने के लिए 60-100 डिग्री सेल्सियस पर मापा जाता है।
चौथा, लौटाए गए हार्डवेयर पर भौतिक विफलता विश्लेषण के साथ तैनात त्वरक टेलीमेट्री को जोड़ते हुए फ़ील्ड सहसंबंध कार्यक्रम स्थापित करें; यह बंद लूप वास्तविक सेवा जीवन के विरुद्ध त्वरित परीक्षण कारकों को मान्य करने का एकमात्र विश्वसनीय मार्ग है। थर्मल प्रबंधन पर पहले से ही लागू मेट्रोलॉजी, मॉडलिंग और मानकीकरण में समान निवेश के साथ नमी का उपचार एआई सिलिकॉन की अगली पीढ़ी के लिए वैकल्पिक नहीं है।
लेखक के बारे में
अजय सेकर एक अनुभवी सेमीकंडक्टर अनुभवी हैं
देखें: Adafruit सटीक आर्द्रता और तापमान सेंसर
