Ambalaža poluprovodnika je evoluirala od tradicionalnih 1D PCB dizajna do vrhunskog 3D hibridnog povezivanja na nivou pločice. Ovaj napredak omogućava razmak međupovezivanja u jednocifrenom mikronskom rasponu, sa propusnim opsegom do 1000 GB/s, uz održavanje visoke energetske efikasnosti. U osnovi naprednih tehnologija poluprovodničkog pakovanja su 2.5D pakovanje (gde su komponente postavljene jedna pored druge na međusloju) i 3D pakovanje (koje uključuje vertikalno slaganje aktivnih čipova). Ove tehnologije su ključne za budućnost HPC sistema.
2.5D tehnologija pakovanja uključuje različite materijale međuslojnih, od kojih svaki ima svoje prednosti i nedostatke. Silicijumski (Si) međuslojevi, uključujući potpuno pasivne silikonske pločice i lokalizovane silikonske mostove, poznati su po tome što pružaju najfinije mogućnosti ožičenja, što ih čini idealnim za računarstvo visokih performansi. Međutim, oni su skupi u smislu materijala i proizvodnje i suočavaju se s ograničenjima u području pakiranja. Da bi se ublažili ovi problemi, povećava se upotreba lokaliziranih silikonskih mostova, strateški koristeći silicij gdje je fina funkcionalnost kritična dok se rješavaju ograničenja područja.
Organski međuslojevi, koji koriste lepezastu oblikovanu plastiku, su isplativija alternativa silicijumu. Imaju nižu dielektričnu konstantu, što smanjuje RC kašnjenje u paketu. Uprkos ovim prednostima, organski posrednički slojevi se bore da postignu isti nivo redukcije karakteristika međusobnog povezivanja kao ambalaža zasnovana na silikonu, ograničavajući njihovo usvajanje u računarskim aplikacijama visokih performansi.
Stakleni posrednički slojevi izazvali su značajno interesovanje, posebno nakon što je Intel nedavno lansirao ambalažu za testiranje vozila na bazi stakla. Staklo nudi nekoliko prednosti, kao što su podesivi koeficijent termičke ekspanzije (CTE), visoka dimenzionalna stabilnost, glatke i ravne površine i mogućnost podrške proizvodnji panela, što ga čini obećavajućim kandidatom za međuslojeve sa mogućnostima ožičenja uporedivim sa silicijumom. Međutim, osim tehničkih izazova, glavni nedostatak staklenih posrednih slojeva je nezreo ekosistem i trenutni nedostatak velikih proizvodnih kapaciteta. Kako ekosistem sazrijeva i proizvodne mogućnosti se poboljšavaju, tehnologije bazirane na staklu u poluvodičkoj ambalaži mogu doživjeti dalji rast i usvajanje.
U smislu 3D tehnologije pakiranja, Cu-Cu hibridno spajanje bez udaraca postaje vodeća inovativna tehnologija. Ova napredna tehnika postiže trajne međusobne veze kombinovanjem dielektričnih materijala (poput SiO2) sa ugrađenim metalima (Cu). Cu-Cu hibridno spajanje može postići razmake ispod 10 mikrona, tipično u jednocifrenom rasponu mikrona, što predstavlja značajno poboljšanje u odnosu na tradicionalnu tehnologiju mikro-bump, koja ima razmake od oko 40-50 mikrona. Prednosti hibridnog povezivanja uključuju povećan I/O, poboljšani propusni opseg, poboljšano 3D vertikalno slaganje, bolju energetsku efikasnost i smanjene efekte parazita i termičku otpornost zbog odsustva donjeg punjenja. Međutim, ova tehnologija je složena za proizvodnju i ima veće troškove.
2.5D i 3D tehnologije pakovanja obuhvataju različite tehnike pakovanja. U 2.5D ambalaži, ovisno o izboru materijala međusloja, može se kategorizirati na međuslojeve na bazi silicija, organske i staklene, kao što je prikazano na gornjoj slici. U 3D pakovanju, razvoj tehnologije mikro-bump ima za cilj smanjenje dimenzija razmaka, ali danas, usvajanjem hibridne tehnologije spajanja (metoda direktne Cu-Cu veze), mogu se postići jednocifrene dimenzije razmaka, što označava značajan napredak u ovoj oblasti. .
**Ključni tehnološki trendovi na koje treba obratiti pažnju:**
1. **Veća područja međuslojeva:** IDTechEx je ranije predvidio da će zbog poteškoća da međuslojevi silikona prelaze granicu veličine konca od 3x, rješenja 2.5D silikonskog mosta uskoro će zamijeniti silikonske posredničke slojeve kao primarni izbor za pakovanje HPC čipova. TSMC je glavni dobavljač 2.5D silikonskih posredničkih slojeva za NVIDIA i druge vodeće HPC programere kao što su Google i Amazon, a kompanija je nedavno najavila masovnu proizvodnju svoje prve generacije CoWoS_L s veličinom konca 3,5x. IDTechEx očekuje da će se ovaj trend nastaviti, s daljim napretkom o kojem se raspravlja u njegovom izvještaju koji pokriva glavne igrače.
2. **Pakovanje na nivou panela:** Pakovanje na nivou panela postalo je značajan fokus, kao što je istaknuto na Tajvanskoj međunarodnoj izložbi poluprovodnika 2024. Ova metoda pakiranja omogućava korištenje većih međuslojeva i pomaže u smanjenju troškova istovremenom proizvodnjom više paketa. Uprkos svom potencijalu, izazovi kao što je upravljanje iskrivljenjem i dalje se moraju riješiti. Njegova sve veća istaknutost odražava rastuću potražnju za većim, isplativijim posredničkim slojevima.
3. **Posredni slojevi stakla:** Staklo se pojavljuje kao jak materijal kandidata za postizanje finog ožičenja, uporedivog sa silicijumom, sa dodatnim prednostima kao što su podesivi CTE i veća pouzdanost. Stakleni međuslojevi su takođe kompatibilni sa pakovanjem na nivou panela, nudeći potencijal za ožičenje visoke gustine uz lakše upravljive troškove, što ga čini obećavajućim rešenjem za buduće tehnologije pakovanja.
4. **HBM hibridno spajanje:** 3D bakar-bakar (Cu-Cu) hibridno povezivanje je ključna tehnologija za postizanje ultra finih vertikalnih međuveza između čipova. Ova tehnologija je korištena u raznim vrhunskim serverskim proizvodima, uključujući AMD EPYC za naslagane SRAM i CPU, kao i MI300 seriju za slaganje CPU/GPU blokova na I/O matrice. Očekuje se da će hibridno povezivanje igrati ključnu ulogu u budućim napretcima HBM-a, posebno za DRAM stekove koji prelaze 16-Hi ili 20-Hi slojeve.
5. **Kopakovani optički uređaji (CPO):** Uz rastuću potražnju za većom propusnošću podataka i energetskom efikasnošću, tehnologija optičkog međusobnog povezivanja je privukla značajnu pažnju. Kopakirani optički uređaji (CPO) postaju ključno rješenje za povećanje I/O propusnog opsega i smanjenje potrošnje energije. U poređenju sa tradicionalnim električnim prijenosom, optička komunikacija nudi nekoliko prednosti, uključujući niže slabljenje signala na velikim udaljenostima, smanjenu osjetljivost na preslušavanje i značajno povećanu širinu pojasa. Ove prednosti čine CPO idealnim izborom za energetski efikasne HPC sisteme sa velikim brojem podataka.
**Ključna tržišta na koja treba obratiti pažnju:**
Primarno tržište koje pokreće razvoj 2.5D i 3D tehnologija pakovanja je nesumnjivo sektor računarstva visokih performansi (HPC). Ove napredne metode pakovanja su ključne za prevazilaženje ograničenja Mooreovog zakona, omogućavajući više tranzistora, memorije i interkonekcije unutar jednog paketa. Dekompozicija čipova takođe omogućava optimalno korišćenje procesnih čvorova između različitih funkcionalnih blokova, kao što je odvajanje I/O blokova od blokova za obradu, dodatno povećavajući efikasnost.
Pored računarstva visokih performansi (HPC), očekuje se da će i druga tržišta ostvariti rast kroz usvajanje naprednih tehnologija pakovanja. U 5G i 6G sektorima, inovacije kao što su antene za pakovanje i vrhunska rješenja čipova će oblikovati budućnost arhitekture 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, istovremeno osiguravajući sigurnost, pouzdanost, kompaktnost, upravljanje snagom i toplinom, te ekonomičnost.
Potrošačka elektronika (uključujući pametne telefone, pametne satove, AR/VR uređaje, računare i radne stanice) sve je više fokusirana na obradu više podataka u manjim prostorima, uprkos većem naglasku na troškovima. Napredna poluprovodnička ambalaža će igrati ključnu ulogu u ovom trendu, iako se metode pakovanja mogu razlikovati od onih koje se koriste u HPC-u.
Vrijeme objave: 25.10.2024