Корпусування напівпровідників еволюціонувало від традиційних 1D-друкованих плат до передового 3D-гібридного з'єднання на рівні пластини. Цей прогрес дозволяє встановлювати інтервал між з'єднаннями в діапазоні однозначних мікрон, з пропускною здатністю до 1000 Гбіт/с, зберігаючи при цьому високу енергоефективність. В основі передових технологій упаковки напівпровідників лежать 2,5D-упаковка (де компоненти розміщуються поруч на проміжному шарі) та 3D-упаковка (яка передбачає вертикальне укладання активних мікросхем). Ці технології мають вирішальне значення для майбутнього високопродуктивних обчислювальних систем (HPC).
Технологія 2.5D упаковки використовує різні матеріали проміжних шарів, кожен з яких має свої переваги та недоліки. Кремнієві (Si) проміжні шари, включаючи повністю пасивні кремнієві пластини та локалізовані кремнієві містки, відомі тим, що забезпечують найкращі можливості підключення, що робить їх ідеальними для високопродуктивних обчислень. Однак вони є дорогими з точки зору матеріалів та виробництва, а також стикаються з обмеженнями в площі упаковки. Щоб вирішити ці проблеми, все частіше використовуються локалізовані кремнієві містки, стратегічно використовуючи кремній там, де висока функціональність є критично важливою, одночасно враховуючи обмеження площі.
Органічні проміжні шари, виготовлені з віялоподібно литих пластмас, є більш економічно ефективною альтернативою кремнію. Вони мають нижчу діелектричну проникність, що зменшує затримку RC-коду в корпусі. Незважаючи на ці переваги, органічні проміжні шари мають труднощі з досягненням такого ж рівня зменшення кількості елементів міжз'єднань, як і корпуси на основі кремнію, що обмежує їхнє використання у високопродуктивних обчислювальних програмах.
Скляні проміжні шари викликали значний інтерес, особливо після нещодавнього запуску компанією Intel корпусів для випробувальних транспортних засобів на основі скла. Скло пропонує кілька переваг, таких як регульований коефіцієнт теплового розширення (КТР), висока розмірна стабільність, гладкі та плоскі поверхні, а також здатність підтримувати виробництво панелей, що робить його перспективним кандидатом для проміжних шарів з можливостями підключення проводів, порівнянними з кремнієм. Однак, окрім технічних проблем, основним недоліком скляних проміжних шарів є незріла екосистема та поточна відсутність великомасштабних виробничих потужностей. У міру розвитку екосистеми та покращення виробничих можливостей, технології на основі скла в корпусах напівпровідників можуть зазнати подальшого зростання та впровадження.
Що стосується технології 3D-упаковки, гібридне з'єднання Cu-Cu без бампування стає провідною інноваційною технологією. Ця передова технологія забезпечує постійні з'єднання шляхом поєднання діелектричних матеріалів (таких як SiO2) з вбудованими металами (Cu). Гібридне з'єднання Cu-Cu може досягати відстаней між бампами менше 10 мікрон, зазвичай в діапазоні однозначних мікрон, що є значним покращенням порівняно з традиційною технологією мікробампування, яка має відстань між бампами близько 40-50 мікрон. Переваги гібридного з'єднання включають збільшення кількості вводів/виводів, розширену пропускну здатність, покращене 3D вертикальне укладання, кращу енергоефективність та зменшення паразитних ефектів і теплового опору через відсутність заповнення дна. Однак ця технологія складна у виробництві та має вищу вартість.
Технології 2.5D та 3D упаковки охоплюють різні методи упаковки. У 2.5D упаковці, залежно від вибору матеріалів проміжного шару, його можна класифікувати на проміжні шари на основі кремнію, органічних речовин та скла, як показано на рисунку вище. У 3D упаковці розробка технології мікро-виступів спрямована на зменшення розмірів інтервалів, але сьогодні, завдяки застосуванню технології гібридного склеювання (метод прямого з'єднання Cu-Cu), можна досягти однозначних розмірів інтервалів, що є значним прогресом у цій галузі.
**Ключові технологічні тенденції, за якими варто стежити:**
1. **Збільшені площі проміжних шарів:** Раніше IDTechEx прогнозувала, що через складність перевищення кремнієвими проміжними шарами ліміту розміру сітки в 3 рази, 2,5D кремнієві мости незабаром замінять кремнієві проміжні шари як основний вибір для упаковки високопродуктивних обчислювальних мікросхем. TSMC є основним постачальником 2,5D кремнієвих проміжних шарів для NVIDIA та інших провідних розробників високопродуктивних обчислювальних систем, таких як Google та Amazon, і нещодавно компанія оголосила про масове виробництво свого першого покоління CoWoS_L з розміром сітки в 3,5 рази. IDTechEx очікує, що ця тенденція продовжиться, а подальші досягнення обговорюються у звіті, що охоплює основних гравців.
2. **Панельне пакування:** Панельне пакування стало суттєвим напрямком, як було підкреслено на Тайванській міжнародній виставці напівпровідників 2024 року. Цей метод пакування дозволяє використовувати більші проміжні шари та допомагає знизити витрати, виробляючи більше корпусів одночасно. Незважаючи на свій потенціал, такі проблеми, як управління деформацією, все ще потребують вирішення. Його зростаюча популярність відображає зростаючий попит на більші та економічно ефективніші проміжні шари.
3. **Проміжні скляні шари**: Скло стає сильним кандидатом на матеріал для досягнення тонкої проводки, порівнянної з кремнієм, з додатковими перевагами, такими як регульований коефіцієнт теплової розширюваності (CTE) та вища надійність. Проміжні скляні шари також сумісні з корпусуванням на рівні панелей, що пропонує потенціал для високощільної проводки за більш керованими витратами, що робить його перспективним рішенням для майбутніх технологій корпусування.
4. **Гібридне з'єднання HBM**:** 3D гібридне з'єднання мідь-мідь (Cu-Cu) є ключовою технологією для досягнення надтонкого вертикального з'єднання між чіпами. Ця технологія використовувалася в різних високопродуктивних серверних продуктах, включаючи AMD EPYC для стекованої SRAM та CPU, а також серію MI300 для стекування блоків CPU/GPU на кристалах вводу/виводу. Очікується, що гібридне з'єднання відіграватиме вирішальну роль у майбутніх розробках HBM, особливо для стеків DRAM, що перевищують 16 або 20 шарів Hi.
5. **Комплексні оптичні пристрої (CPO):** Зі зростанням попиту на вищу пропускну здатність даних та енергоефективність, технологія оптичних з'єднань привернула значну увагу. Комплексні оптичні пристрої (CPO) стають ключовим рішенням для розширення пропускної здатності вводу/виводу та зниження енергоспоживання. Порівняно з традиційною передачею електроенергії, оптичний зв'язок пропонує кілька переваг, включаючи менше затухання сигналу на великих відстанях, знижену чутливість до перехресних перешкод та значно збільшену пропускну здатність. Ці переваги роблять CPO ідеальним вибором для енергоефективних високопродуктивних обчислювальних систем з інтенсивною обробкою даних.
**Ключові ринки для спостереження:**
Основним ринком, що стимулює розвиток технологій 2.5D та 3D-пакування, безсумнівно, є сектор високопродуктивних обчислень (HPC). Ці передові методи пакування мають вирішальне значення для подолання обмежень закону Мура, дозволяючи розміщувати більше транзисторів, пам'яті та взаємозв'язків в одному корпусі. Декомпозиція мікросхем також дозволяє оптимально використовувати вузли процесу між різними функціональними блоками, наприклад, відокремлюючи блоки вводу/виводу від блоків обробки, що ще більше підвищує ефективність.
Окрім високопродуктивних обчислень (HPC), очікується, що інші ринки також досягнуть зростання завдяки впровадженню передових технологій упаковки. У секторах 5G та 6G такі інновації, як упаковка антен та передові чіпові рішення, формуватимуть майбутнє архітектур бездротових мереж доступу (RAN). Автономні транспортні засоби також отримають вигоду, оскільки ці технології підтримують інтеграцію сенсорних наборів та обчислювальних блоків для обробки великих обсягів даних, забезпечуючи при цьому безпеку, надійність, компактність, управління живленням та температурою, а також економічну ефективність.
Споживча електроніка (включаючи смартфони, смарт-годинники, пристрої AR/VR, ПК та робочі станції) дедалі більше орієнтована на обробку більшої кількості даних у менших просторах, незважаючи на більший акцент на вартості. Сучасне напівпровідникове корпусування відіграватиме ключову роль у цій тенденції, хоча методи корпусування можуть відрізнятися від тих, що використовуються у високопродуктивних обчисленнях (HPC).
Час публікації: 07 жовтня 2024 р.