Pakovanje poluprovodnika evoluiralo je od tradicionalnih 1D PCB dizajna do najsavremenijeg 3D hibridnog vezivanja na nivou pločice. Ovaj napredak omogućava razmak međusobnih veza u rasponu od jedne znamenke mikrona, sa propusnim opsegom do 1000 GB/s, uz održavanje visoke energetske efikasnosti. U srži naprednih tehnologija pakovanja poluprovodnika su 2.5D pakovanje (gdje su komponente postavljene jedna pored druge na međusloju) i 3D pakovanje (što uključuje vertikalno slaganje aktivnih čipova). Ove tehnologije su ključne za budućnost HPC sistema.
2.5D tehnologija pakovanja uključuje različite materijale međuslojeva, svaki sa svojim prednostima i nedostacima. Silicijumski (Si) međuslojevi, uključujući potpuno pasivne silicijumske pločice i lokalizovane silicijumske mostove, poznati su po tome što pružaju najbolje mogućnosti ožičenja, što ih čini idealnim za računarstvo visokih performansi. Međutim, skupi su u pogledu materijala i proizvodnje, a suočavaju se i sa ograničenjima u području pakovanja. Kako bi se ublažili ovi problemi, upotreba lokalizovanih silicijumskih mostova je u porastu, strateški koristeći silicijum tamo gdje je fina funkcionalnost ključna, a istovremeno se rješavaju ograničenja u području.
Organski međuslojevi, napravljeni od lepezasto oblikovane plastike, predstavljaju isplativiju alternativu siliciju. Imaju nižu dielektričnu konstantu, što smanjuje RC kašnjenje u pakovanju. Uprkos ovim prednostima, organski međuslojevi se bore da postignu isti nivo smanjenja međusobnih veza kao pakovanje na bazi silicija, što ograničava njihovu primjenu u visokoperformansnim računarskim aplikacijama.
Stakleni međuslojevi izazvali su značajan interes, posebno nakon nedavnog Intelovog lansiranja pakovanja za testna vozila na bazi stakla. Staklo nudi nekoliko prednosti, kao što su podesivi koeficijent termičkog širenja (CTE), visoka dimenzionalna stabilnost, glatke i ravne površine i sposobnost podrške proizvodnji panela, što ga čini obećavajućim kandidatom za međuslojeve sa mogućnostima ožičenja uporedivim sa silicijumom. Međutim, osim tehničkih izazova, glavni nedostatak staklenih međuslojeva je nezreli ekosistem i trenutni nedostatak velikih proizvodnih kapaciteta. Kako ekosistem sazrijeva i proizvodni kapaciteti se poboljšavaju, tehnologije na bazi stakla u pakovanju poluprovodnika mogle bi doživjeti dalji rast i usvajanje.
Što se tiče 3D tehnologije pakovanja, Cu-Cu hibridno vezivanje bez izbočina postaje vodeća inovativna tehnologija. Ova napredna tehnika postiže trajne međusobne veze kombinovanjem dielektričnih materijala (poput SiO2) sa ugrađenim metalima (Cu). Cu-Cu hibridno vezivanje može postići razmake ispod 10 mikrona, obično u rasponu od jedne cifre mikrona, što predstavlja značajno poboljšanje u odnosu na tradicionalnu mikro-izbočinu tehnologiju, koja ima razmake izbočina od oko 40-50 mikrona. Prednosti hibridnog vezivanja uključuju povećani I/O, poboljšanu propusnost, poboljšano 3D vertikalno slaganje, bolju energetsku efikasnost i smanjene parazitske efekte i termičku otpornost zbog odsustva punjenja dna. Međutim, ova tehnologija je složena za proizvodnju i ima veće troškove.
Tehnologije 2.5D i 3D pakovanja obuhvataju različite tehnike pakovanja. Kod 2.5D pakovanja, u zavisnosti od izbora materijala međusloja, ono se može kategorizirati u međuslojeve na bazi silicija, organskih materijala i slojeva na bazi stakla, kao što je prikazano na gornjoj slici. U 3D pakovanju, razvoj tehnologije mikro-izbočina ima za cilj smanjenje dimenzija razmaka, ali danas, usvajanjem tehnologije hibridnog vezivanja (metoda direktnog Cu-Cu povezivanja), mogu se postići jednocifrene dimenzije razmaka, što označava značajan napredak u ovoj oblasti.
**Ključni tehnološki trendovi koje treba pratiti:**
1. **Veća područja međuslojeva:** IDTechEx je ranije predvidio da će, zbog poteškoća da silikonski međuslojevi pređu ograničenje veličine končanice od 3x, 2.5D silikonska mostna rješenja uskoro zamijeniti silikonske međuslojeve kao primarni izbor za pakiranje HPC čipova. TSMC je glavni dobavljač 2.5D silikonskih međuslojeva za NVIDIA-u i druge vodeće HPC developere poput Googlea i Amazona, a kompanija je nedavno najavila masovnu proizvodnju svog CoWoS_L prve generacije s 3,5x veličinom končanice. IDTechEx očekuje da će se ovaj trend nastaviti, a daljnji napredak će biti razmatran u njihovom izvještaju koji pokriva glavne igrače.
2. **Pakovanje na nivou panela:** Pakovanje na nivou panela postalo je značajan fokus, što je istaknuto na Međunarodnoj izložbi poluprovodnika u Tajvanu 2024. godine. Ova metoda pakovanja omogućava upotrebu većih međuslojeva i pomaže u smanjenju troškova istovremenom proizvodnjom više paketa. Uprkos svom potencijalu, izazovi poput upravljanja savijanjem i dalje se moraju riješiti. Njegova sve veća važnost odražava rastuću potražnju za većim, isplativijim međuslojevima.
3. **Stakleni međuslojevi:** Staklo se pojavljuje kao snažan kandidat za materijal za postizanje finog ožičenja, uporedivo sa silicijumom, sa dodatnim prednostima kao što su podesivi CTE i veća pouzdanost. Stakleni međuslojevi su također kompatibilni sa pakovanjem na nivou panela, nudeći potencijal za ožičenje visoke gustine uz pristupačnije troškove, što ga čini obećavajućim rješenjem za buduće tehnologije pakovanja.
4. **HBM hibridno povezivanje:** 3D bakar-bakar (Cu-Cu) hibridno povezivanje je ključna tehnologija za postizanje ultra-finih vertikalnih međusobnih veza između čipova. Ova tehnologija se koristi u raznim vrhunskim serverskim proizvodima, uključujući AMD EPYC za složene SRAM i CPU memorije, kao i seriju MI300 za slaganje CPU/GPU blokova na I/O matrice. Očekuje se da će hibridno povezivanje igrati ključnu ulogu u budućim HBM napretcima, posebno za DRAM slojeve koji prelaze 16-Hi ili 20-Hi slojeva.
5. **Ko-pakovani optički uređaji (CPO):** S rastućom potražnjom za većim protokom podataka i energetskom efikasnošću, tehnologija optičkog međusobnog povezivanja dobila je značajnu pažnju. Ko-pakovani optički uređaji (CPO) postaju ključno rješenje za poboljšanje propusnog opsega ulazno/izlaznih veza i smanjenje potrošnje energije. U poređenju s tradicionalnim električnim prijenosom, optička komunikacija nudi nekoliko prednosti, uključujući niže slabljenje signala na velikim udaljenostima, smanjenu osjetljivost na preslušavanje i značajno povećan propusni opseg. Ove prednosti čine CPO idealnim izborom za energetski efikasne HPC sisteme koji intenzivno koriste podatke.
**Ključna tržišta koja treba pratiti:**
Primarno tržište koje pokreće razvoj 2.5D i 3D tehnologija pakovanja nesumnjivo je sektor računarstva visokih performansi (HPC). Ove napredne metode pakovanja ključne su za prevazilaženje ograničenja Murovog zakona, omogućavajući veći broj tranzistora, memorije i međusobnih veza unutar jednog pakovanja. Dekompozicija čipova također omogućava optimalno korištenje procesnih čvorova između različitih funkcionalnih blokova, kao što je odvajanje I/O blokova od procesorskih blokova, što dodatno povećava efikasnost.
Pored računarstva visokih performansi (HPC), očekuje se da će i druga tržišta ostvariti rast kroz usvajanje naprednih tehnologija pakovanja. U sektorima 5G i 6G, inovacije poput pakovanja antena i najsavremenijih čipovskih rješenja oblikovat će budućnost arhitektura bežičnih pristupnih mreža (RAN). Autonomna vozila će također imati koristi, jer ove tehnologije podržavaju integraciju senzorskih paketa i računarskih jedinica za obradu velikih količina podataka, a istovremeno osiguravaju sigurnost, pouzdanost, kompaktnost, upravljanje energijom i toplotom, te isplativost.
Potrošačka elektronika (uključujući pametne telefone, pametne satove, AR/VR uređaje, računare i radne stanice) sve se više fokusira na obradu više podataka u manjim prostorima, uprkos većem naglasku na cijenu. Napredno pakovanje poluprovodnika igraće ključnu ulogu u ovom trendu, iako se metode pakovanja mogu razlikovati od onih koje se koriste u HPC-u.
Vrijeme objave: 07.10.2024.