Пакування напівпровідників еволюціонувало від традиційних одновимірних дизайнів друкованих плат до передового 3D-гібридного з’єднання на рівні пластин. Цей прогрес дозволяє розміщувати з’єднання в мікронному діапазоні з однозначною цифрою з пропускною здатністю до 1000 ГБ/с, зберігаючи високу енергоефективність. В основі передових технологій упаковки напівпровідників лежить 2,5D упаковка (де компоненти розміщуються поруч на проміжному шарі) і 3D упаковка (яка передбачає вертикальне укладання активних мікросхем). Ці технології мають вирішальне значення для майбутнього систем HPC.
Технологія 2.5D пакування включає різні матеріали проміжного шару, кожен з яких має свої переваги та недоліки. Кремнієві (Si) проміжні шари, включаючи повністю пасивні кремнієві пластини та локалізовані кремнієві мости, відомі тим, що забезпечують найкращі можливості з’єднання, що робить їх ідеальними для високопродуктивних обчислень. Однак вони дорогі з точки зору матеріалів і виробництва, а також мають обмеження в області упаковки. Щоб пом’якшити ці проблеми, використання локалізованих кремнієвих мостів збільшується, стратегічно використовуючи кремній там, де точна функціональність є критичною, одночасно вирішуючи обмеження площі.
Органічні проміжні шари, що використовують формовані пластмаси, що розгортаються, є економічнішою альтернативою кремнію. Вони мають нижчу діелектричну проникність, що зменшує затримку RC в упаковці. Незважаючи на ці переваги, органічні проміжні шари намагаються досягти такого ж рівня зменшення функцій з’єднань, як пакети на основі кремнію, що обмежує їх застосування у високопродуктивних обчислювальних програмах.
Скляні проміжні шари викликали значний інтерес, особливо після нещодавнього запуску компанією Intel упаковки для тестових автомобілів на основі скла. Скло пропонує кілька переваг, таких як регульований коефіцієнт теплового розширення (CTE), висока стабільність розмірів, гладкі та плоскі поверхні, а також здатність підтримувати виробництво панелей, що робить його перспективним кандидатом для проміжних шарів із можливостями з’єднання, 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 вдосконалення виробничих можливостей технології на основі скла в напівпровідниковій упаковці можуть отримати подальше зростання та впровадження.
З точки зору технології 3D-пакування, гібридне склеювання Cu-Cu без ударів стає провідною інноваційною технологією. Ця передова техніка забезпечує постійні взаємозв’язки шляхом поєднання діелектричних матеріалів (наприклад, SiO2) із вбудованими металами (Cu). Гібридне склеювання Cu-Cu може досягати відстані менше 10 мікрон, як правило, в діапазоні однозначних мікрон, що представляє значне вдосконалення в порівнянні з традиційною технологією мікро-виступів, яка має відстань між нерівностями приблизно 40-50 мікрон. Переваги гібридного з’єднання включають збільшення вводу/виводу, розширену пропускну здатність, покращене 3D вертикальне стекування, кращу енергоефективність, а також зменшені паразитні ефекти та термічний опір через відсутність нижнього заповнення. Однак ця технологія складна у виробництві і має більш високу вартість.
Технології упаковки 2.5D і 3D охоплюють різні техніки упаковки. У 2.5D упаковці залежно від вибору матеріалів проміжного шару його можна класифікувати на проміжні шари на основі кремнію, органіки та скла, як показано на малюнку вище. У 3D-упаковці розробка технології micro-bump спрямована на зменшення розмірів відстані, але сьогодні, використовуючи технологію гібридного склеювання (метод прямого з’єднання Cu-Cu), можна досягти однозначних розмірів відстані, що є значним прогресом у цій галузі. .
**Ключові технологічні тенденції, на які варто звернути увагу:**
1. **Більші області проміжних шарів:** Раніше IDTechEx передбачав, що через труднощі кремнієвих проміжних шарів, які перевищують 3-кратний ліміт розміру візирної сітки, кремнієві мостові рішення 2,5D незабаром замінять кремнієві проміжні шари як основний вибір для упаковки мікросхем HPC. TSMC є основним постачальником 2,5D кремнієвих проміжних шарів для NVIDIA та інших провідних розробників HPC, таких як Google і Amazon, і компанія нещодавно оголосила про масове виробництво свого першого покоління CoWoS_L із розміром візирної сітки 3,5x. IDTechEx очікує, що ця тенденція продовжиться, і подальші досягнення обговорюватимуться у звіті, що охоплює основних гравців.
2. **Упаковка на рівні панелі: ** Упаковка на рівні панелі стала суттєвою увагою, як було підкреслено на Тайванській міжнародній виставці напівпровідників у 2024 році. Цей метод пакування дозволяє використовувати більші проміжні шари та допомагає зменшити витрати за рахунок виробництва більшої кількості упаковок одночасно. Незважаючи на потенціал, такі проблеми, як керування викривленнями, все ще потребують вирішення. Його все більша популярність відображає зростаючий попит на більші, більш економічно ефективні проміжні рівні.
3. **Скляні проміжні шари:** Скло стає сильним матеріалом-кандидатом для досягнення тонкої проводки, порівнянної з кремнієм, з додатковими перевагами, такими як регульований КТР і вища надійність. Скляні проміжні шари також сумісні з пакуванням на рівні панелі, пропонуючи потенціал для високої щільності проводки за більш керованими витратами, що робить його перспективним рішенням для майбутніх технологій пакування.
4. **Гібридне з’єднання HBM: 3D-гібридне з’єднання мідь-мідь (Cu-Cu) є ключовою технологією для досягнення вертикальних з’єднань між мікросхемами з надтонким кроком. Ця технологія використовується в різних високоякісних серверних продуктах, включаючи AMD EPYC для стекованої SRAM і процесорів, а також серії MI300 для стекування блоків CPU/GPU на матрицях введення/виведення. Очікується, що гібридне з’єднання відіграє вирішальну роль у майбутніх удосконаленнях HBM, особливо для стеків DRAM, що перевищують 16-Hi або 20-Hi-шари.
5. **Копаковані оптичні пристрої (CPO):** Зі зростаючим попитом на більш високу пропускну здатність даних і енергоефективність технологія оптичного з’єднання привернула значну увагу. Комбіновані оптичні пристрої (CPO) стають ключовим рішенням для розширення пропускної здатності вводу/виводу та зменшення споживання енергії. Порівняно з традиційною електричною передачею, оптичний зв’язок пропонує кілька переваг, включаючи менше загасання сигналу на великих відстанях, знижену чутливість до перехресних перешкод і значно збільшену пропускну здатність. Ці переваги роблять CPO ідеальним вибором для енергоефективних високопродуктивних систем, які потребують великої кількості даних.
**Ключові ринки, на які варто звернути увагу:**
Основним ринком, який спонукає до розвитку пакувальних технологій 2,5D і 3D, безсумнівно, є сектор високопродуктивних обчислень (HPC). Ці вдосконалені методи упаковки мають вирішальне значення для подолання обмежень закону Мура, дозволяючи використовувати більше транзисторів, пам’яті та з’єднань в одному корпусі. Розкладання чіпів також дозволяє оптимально використовувати вузли процесу між різними функціональними блоками, наприклад, відокремлювати блоки введення/виведення від блоків обробки, що ще більше підвищує ефективність.
Очікується, що на додаток до високопродуктивних обчислень (HPC) інші ринки також досягнуть зростання завдяки впровадженню передових технологій упаковки. У секторах 5G і 6G такі інновації, як пакувальні антени та передові чіпові рішення, формуватимуть майбутнє архітектури мереж бездротового доступу (RAN). Автономні транспортні засоби також виграють, оскільки ці технології підтримують інтеграцію наборів датчиків і обчислювальних блоків для обробки великих обсягів даних, забезпечуючи при цьому безпеку, надійність, компактність, керування живленням і температурою, а також економічну ефективність.
Споживча електроніка (включаючи смартфони, розумні годинники, пристрої AR/VR, ПК і робочі станції) все більше зосереджується на обробці більшої кількості даних у менших просторах, незважаючи на більший акцент на вартості. Удосконалена упаковка напівпровідників відіграватиме ключову роль у цій тенденції, хоча методи упаковки можуть відрізнятися від тих, що використовуються в HPC.
Час публікації: 25 жовтня 2024 р