Індустрія автомобільних чіпів зазнає змін
Нещодавно команда інженерів-напівпровідників обговорила малі чіпи, гібридне з'єднання та нові матеріали з Майклом Келлі, віцепрезидентом Amkor з питань малих чіпів та інтеграції FCBGA. В обговоренні також взяли участь дослідник ASE Вільям Чен, генеральний директор Promex Industries Дік Отте та Сандер Розендал, директор з досліджень та розробок Synopsys Photonics Solutions. Нижче наведено уривки з цього обговорення.
Протягом багатьох років розробка автомобільних чіпів не займала провідних позицій у галузі. Однак із зростанням популярності електромобілів та розвитком передових інформаційно-розважальних систем ця ситуація кардинально змінилася. Які проблеми ви помітили?
Келлі: Для конкурентоспроможності на ринку високоякісні системи допомоги водієві (ADAS) вимагають процесорів з 5-нанометровим технологічним процесом або менше. Після переходу на 5-нанометровий технологічний процес необхідно враховувати вартість пластин, що призводить до ретельного розгляду рішень з малими мікросхемами, оскільки важко виготовляти великі мікросхеми за 5-нанометровим технологічним процесом. Крім того, вихід продукції низький, що призводить до надзвичайно високих витрат. Маючи справу з 5-нанометровими або більш просунутими технологічними процесами, клієнти зазвичай розглядають можливість вибору частини 5-нанометрового мікросхеми, а не використання всього мікросхеми, збільшуючи при цьому інвестиції на етапі упаковки. Вони можуть подумати: «Чи не буде це більш економічно вигідним варіантом досягнення необхідної продуктивності таким чином, ніж намагатися виконати всі функції у більшому мікросхемі?» Тож так, високоякісні автомобільні компанії безумовно звертають увагу на технологію малих мікросхем. Провідні компанії галузі уважно стежать за цим. Порівняно з обчислювальною сферою, автомобільна промисловість, ймовірно, на 2-4 роки відстає у застосуванні технології малих мікросхем, але тенденція до її застосування в автомобільному секторі чітка. Автомобільна промисловість має надзвичайно високі вимоги до надійності, тому надійність технології малих мікросхем має бути доведена. Однак, широкомасштабне застосування технології малих мікросхем в автомобільній галузі, безумовно, вже на підході.
Чен: Я не помітив жодних суттєвих перешкод. Я думаю, що справа радше в необхідності глибокого вивчення та розуміння відповідних вимог до сертифікації. Це повертається до рівня метрології. Як нам виробляти упаковки, що відповідають надзвичайно суворим автомобільним стандартам? Але безперечно, що відповідні технології постійно розвиваються.
З огляду на численні теплові проблеми та складнощі, пов'язані з багатокристальними компонентами, чи з'являться нові профілі стрес-тестів або різні типи тестів? Чи можуть чинні стандарти JEDEC охоплювати такі інтегровані системи?
Чен: Я вважаю, що нам потрібно розробити більш комплексні методи діагностики, щоб чітко визначити джерело несправностей. Ми обговорювали поєднання метрології з діагностикою, і ми несемо відповідальність за те, щоб з'ясувати, як створювати надійніші корпуси, використовувати високоякісні матеріали та процеси, а також перевіряти їх.
Келлі: Зараз ми проводимо тематичні дослідження з клієнтами, які отримали певні знання з тестування на системному рівні, особливо тестування на температурний вплив у функціональних тестах плат, що не охоплюється тестуванням JEDEC. Тестування JEDEC – це просто ізотермічне тестування, що включає «підвищення, падіння та перехід температури». Однак розподіл температури в реальних корпусах далекий від того, що відбувається в реальному світі. Все більше клієнтів хочуть проводити тестування на системному рівні якомога раніше, оскільки вони розуміють цю ситуацію, хоча не всі її усвідомлюють. Технологія моделювання також відіграє тут певну роль. Якщо людина має досвід у комбінованому термомеханічному моделюванні, аналіз проблем стає легшим, оскільки вона знає, на яких аспектах зосередитися під час тестування. Тестування на системному рівні та технологія моделювання доповнюють одне одного. Однак ця тенденція все ще перебуває на ранній стадії.
Чи є більше теплових проблем, які потрібно вирішити на вузлах зрілих технологій, ніж у минулому?
Отте: Так, але за останні кілька років проблеми компланарності стають дедалі помітнішими. Ми бачимо від 5000 до 10 000 мідних стовпчиків на кристалі, розташованих на відстані від 50 до 127 мікрон один від одного. Якщо уважно вивчити відповідні дані, то можна побачити, що розміщення цих мідних стовпчиків на підкладці та виконання операцій нагрівання, охолодження та паяння оплавленням вимагає досягнення точності компланарності приблизно одна частина на сто тисяч. Точність одна частина на сто тисяч – це як знайти травинку на відстані футбольного поля. Ми придбали кілька високопродуктивних інструментів Keyence для вимірювання площинності кристала та підкладки. Звичайно, виникає питання, як контролювати це явище деформації під час циклу паяння оплавленням? Це нагальне питання, яке потребує вирішення.
Чен: Я пам'ятаю обговорення щодо Понте Веккьо, де вони використовували низькотемпературний припій з міркувань складання, а не з міркувань продуктивності.
Враховуючи, що всі сусідні схеми все ще мають проблеми з теплом, як фотоніку слід інтегрувати в це?
Розендал: Теплове моделювання необхідно проводити для всіх аспектів, а також необхідна високочастотна екстракція, оскільки вхідні сигнали є високочастотними. Тому необхідно вирішити такі питання, як узгодження імпедансу та належне заземлення. Можуть існувати значні градієнти температури, які можуть існувати всередині самого кристала або між тим, що ми називаємо кристалом "E" (електричний кристал) та кристалом "P" (фотонний кристал). Мені цікаво, чи потрібно нам глибше заглиблюватися в теплові характеристики клеїв.
Це викликає дискусії щодо матеріалів для склеювання, їх вибору та стабільності з часом. Очевидно, що технологія гібридного склеювання застосовується в реальному світі, але вона ще не використовується для масового виробництва. Який поточний стан цієї технології?
Келлі: Усі сторони ланцюга поставок звертають увагу на технологію гібридного з'єднання. Наразі цю технологію в основному використовують ливарні заводи, але компанії OSAT (аутсорсингова збірка та тестування напівпровідників) також серйозно вивчають її комерційне застосування. Класичні мідні гібридні діелектричні компоненти з'єднання пройшли тривалу перевірку. Якщо чистоту можна контролювати, цей процес може створювати дуже надійні компоненти. Однак він має надзвичайно високі вимоги до чистоти, а капітальні витрати на обладнання дуже високі. Ми мали досвід ранніх спроб застосування в лінійці продуктів AMD Ryzen, де більшість SRAM використовували технологію мідного гібридного з'єднання. Однак я не бачив багатьох інших клієнтів, які застосовують цю технологію. Хоча вона є в технологічних планах багатьох компаній, схоже, що знадобиться ще кілька років, щоб відповідні комплекти обладнання відповідали незалежним вимогам до чистоти. Якщо її можна застосовувати в заводському середовищі з дещо нижчою чистотою, ніж типове виробництво пластин, і якщо можна досягти нижчих витрат, то, можливо, цій технології приділять більше уваги.
Чен: Згідно з моєю статистикою, на конференції ECTC 2024 року буде представлено щонайменше 37 доповідей про гібридне склеювання. Це процес, який вимагає великої експертизи та включає значну кількість тонких операцій під час складання. Тож ця технологія безумовно знайде широке застосування. Вже є деякі приклади застосування, але в майбутньому вона стане більш поширеною в різних галузях.
Коли ви згадуєте «вишукані операції», чи маєте ви на увазі необхідність значних фінансових інвестицій?
Чень: Звичайно, це вимагає часу та досвіду. Виконання цієї операції вимагає дуже чистого середовища, що вимагає фінансових вкладень. Це також вимагає відповідного обладнання, яке також потребує фінансування. Тож це передбачає не лише експлуатаційні витрати, а й інвестиції в обладнання.
Келлі: У випадках з відстанню між пластинами 15 мікрон або більше існує значний інтерес до використання технології з'єднання мідних стовпчиків між пластинами. В ідеалі пластини плоскі, а розміри чіпів не дуже великі, що дозволяє високоякісне оплавлення для деяких із цих відстаней. Хоча це створює певні труднощі, це набагато дешевше, ніж перехід на технологію гібридного з'єднання міді. Однак, якщо вимога до точності становить 10 мікрон або менше, ситуація змінюється. Компанії, що використовують технологію укладання чіпів, досягнуть однозначних мікронних відстаней, таких як 4 або 5 мікрон, і альтернативи немає. Тому відповідна технологія неминуче розвиватиметься. Однак існуючі технології також постійно вдосконалюються. Тому зараз ми зосереджуємося на межах, до яких можуть поширюватися мідні стовпчики, і на тому, чи прослужить ця технологія достатньо довго, щоб клієнти відклали всі інвестиції в проектування та «кваліфікаційну» розробку справжньої технології гібридного з'єднання міді.
Чень: Ми впроваджуватимемо відповідні технології лише тоді, коли буде попит.
Чи багато нових розробок зараз є в галузі епоксидних формувальних компаундів?
Келлі: Формувальні компаунди зазнали значних змін. Їхній КТР (коефіцієнт теплового розширення) значно знизився, що робить їх більш сприятливими для відповідних застосувань з точки зору тиску.
Отте: Повертаючись до нашої попередньої дискусії, скільки напівпровідникових чипів зараз виготовляється з відстанню між елементами 1 або 2 мікрони?
Келлі: Значна частка.
Чень: Ймовірно, менше ніж 1%.
Отте: Отже, технологія, яку ми обговорюємо, не є мейнстрімною. Вона не перебуває на стадії дослідження, оскільки провідні компанії справді застосовують цю технологію, але вона дорога та має низьку прибутковість.
Келлі: Це в основному застосовується у високопродуктивних обчисленнях. Сьогодні це використовується не лише в центрах обробки даних, але й у високопродуктивних ПК та навіть у деяких портативних пристроях. Хоча ці пристрої відносно малі, вони все ще мають високу продуктивність. Однак у ширшому контексті процесорів та CMOS-застосунків їхня частка залишається відносно невеликою. Для звичайних виробників мікросхем немає потреби впроваджувати цю технологію.
Отте: Ось чому дивно бачити, як ця технологія входить в автомобільну промисловість. Автомобілям не потрібні надзвичайно маленькі чіпи. Вони можуть залишатися на 20- або 40-нанометрових процесах, оскільки вартість одного транзистора в напівпровідниках за цим процесом найнижча.
Келлі: Однак обчислювальні вимоги для систем допомоги водієві (ADAS) або автономного водіння такі ж, як і для ПК зі штучним інтелектом або подібних пристроїв. Тому автомобільній промисловості дійсно потрібно інвестувати в ці передові технології.
Якщо цикл продукту становить п'ять років, чи може впровадження нових технологій продовжити перевагу ще на п'ять років?
Келлі: Це дуже слушна думка. Автомобільна промисловість має інший підхід. Розглянемо прості сервоконтролери або відносно прості аналогові пристрої, які існують вже 20 років і є дуже недорогими. Вони використовують маленькі мікросхеми. Люди в автомобільній промисловості хочуть продовжувати використовувати ці продукти. Вони хочуть інвестувати лише у дуже високоякісні обчислювальні пристрої з цифровими маленькими мікросхемами та, можливо, поєднувати їх з недорогими аналоговими мікросхемами, флеш-пам'яттю та радіочастотними мікросхемами. Для них модель з маленькими мікросхемами має великий сенс, оскільки вони можуть зберегти багато недорогих, стабільних деталей старого покоління. Вони не хочуть і не потребують цього. Тоді їм просто потрібно додати високоякісний маленький 5-нанометровий або 3-нанометровий чіп для виконання функцій частини ADAS. Фактично, вони застосовують різні типи маленьких мікросхем в одному продукті. На відміну від ПК та обчислювальної техніки, автомобільна промисловість має більш різноманітний спектр застосувань.
Чен: Більше того, ці мікросхеми не потрібно встановлювати поруч із двигуном, тому умови навколишнього середовища відносно кращі.
Келлі: Температура навколишнього середовища в автомобілях досить висока. Тому, навіть якщо потужність чіпа не особливо висока, автомобільна промисловість повинна інвестувати певні кошти в хороші рішення для терморегуляції та може навіть розглянути використання індію TIM (термоінтерфейсних матеріалів), оскільки умови навколишнього середовища дуже суворі.
Час публікації: 28 квітня 2025 р.