Industrija automobilskih čipova prolazi kroz promjene
Nedavno je tim za poluprovodničke inženjere razgovarao o malim čipovima, hibridnom spajanju i novim materijalima s Michaelom Kellyjem, potpredsjednikom za male čipove i integraciju FCBGA u kompaniji Amkor. U diskusiji su također učestvovali istraživač ASE-a William Chen, izvršni direktor Promex Industries-a Dick Otte i Sander Roosendaal, direktor istraživanja i razvoja u Synopsys Photonics Solutions. U nastavku su izvadci iz ove diskusije.
Dugi niz godina razvoj automobilskih čipova nije zauzimao vodeću poziciju u industriji. Međutim, s porastom električnih vozila i razvojem naprednih infotainment sistema, ova situacija se dramatično promijenila. Koje probleme ste primijetili?
Kelly: Vrhunski ADAS (Napredni sistemi za pomoć vozačima) zahtijevaju procesore s procesom od 5 nanometara ili manjim da bi bili konkurentni na tržištu. Nakon što uđete u proces od 5 nanometara, morate uzeti u obzir troškove pločica, što dovodi do pažljivog razmatranja rješenja s malim čipovima, jer je teško proizvoditi velike čipove procesom od 5 nanometara. Osim toga, prinos je nizak, što rezultira izuzetno visokim troškovima. Kada se radi o procesima od 5 nanometara ili naprednijim, kupci obično razmatraju odabir dijela čipa od 5 nanometara umjesto korištenja cijelog čipa, uz povećanje ulaganja u fazu pakiranja. Možda će pomisliti: "Da li bi to bila isplativija opcija za postizanje potrebnih performansi na ovaj način, umjesto da se pokušavaju sve funkcije izvršiti u većem čipu?" Dakle, da, vrhunske automobilske kompanije definitivno obraćaju pažnju na tehnologiju malih čipova. Vodeće kompanije u industriji pomno prate ovo. U poređenju s računarskom oblašću, automobilska industrija vjerovatno zaostaje 2 do 4 godine u primjeni tehnologije malih čipova, ali trend njene primjene u automobilskom sektoru je jasan. Automobilska industrija ima izuzetno visoke zahtjeve za pouzdanošću, tako da pouzdanost tehnologije malih čipova mora biti dokazana. Međutim, velika primjena tehnologije malih čipova u automobilskoj oblasti je svakako na putu.
Chen: Nisam primijetio nikakve značajne prepreke. Mislim da se više radi o potrebi da se detaljno nauče i razumiju relevantni zahtjevi za certifikaciju. To se vraća na nivo metrologije. Kako proizvodimo pakete koji ispunjavaju izuzetno stroge automobilske standarde? Ali sigurno je da se relevantna tehnologija kontinuirano razvija.
S obzirom na brojne termalne probleme i složenosti povezane s višečipnim komponentama, hoće li biti novih profila testova opterećenja ili različitih vrsta testova? Mogu li trenutni JEDEC standardi obuhvatiti takve integrirane sisteme?
Chen: Vjerujem da moramo razviti sveobuhvatnije dijagnostičke metode kako bismo jasno identificirali izvor kvarova. Razgovarali smo o kombinovanju metrologije s dijagnostikom i imamo odgovornost da shvatimo kako izgraditi robusnije pakete, koristiti kvalitetnije materijale i procese i validirati ih.
Kelly: Danas provodimo studije slučaja s kupcima koji su nešto naučili iz testiranja na nivou sistema, posebno testiranja uticaja temperature u funkcionalnim testovima ploča, što nije obuhvaćeno JEDEC testiranjem. JEDEC testiranje je samo izotermno testiranje, koje uključuje "porast temperature, pad i temperaturni prijelaz". Međutim, raspodjela temperature u stvarnim kućištima je daleko od onoga što se događa u stvarnom svijetu. Sve više kupaca želi provesti testiranje na nivou sistema rano jer razumiju ovu situaciju, iako nisu svi svjesni toga. Tehnologija simulacije također igra ulogu ovdje. Ako je neko vješt u kombinovanoj simulaciji termičke i mehaničke energije, analiziranje problema postaje lakše jer zna na koje aspekte se treba fokusirati tokom testiranja. Testiranje na nivou sistema i tehnologija simulacije se međusobno nadopunjuju. Međutim, ovaj trend je još uvijek u ranoj fazi.
Da li postoji više termalnih problema koje treba riješiti na čvorovima zrele tehnologije nego što je to bio slučaj u prošlosti?
Otte: Da, ali u posljednjih nekoliko godina, problemi koplanarnosti postali su sve izraženiji. Vidimo 5.000 do 10.000 bakrenih stubova na čipu, razmaknutih između 50 mikrona i 127 mikrona. Ako pažljivo proučite relevantne podatke, otkrit ćete da postavljanje ovih bakrenih stubova na podlogu i izvođenje operacija zagrijavanja, hlađenja i lemljenja reflowom zahtijeva postizanje preciznosti koplanarnosti od oko jednog dijela u sto hiljada. Preciznost od jednog dijela u sto hiljada je kao pronalaženje vlati trave unutar dužine fudbalskog terena. Kupili smo neke visokoperformansne Keyence alate za mjerenje ravnosti čipa i podloge. Naravno, pitanje koje se postavlja je kako kontrolisati ovaj fenomen savijanja tokom ciklusa lemljenja reflowom? Ovo je hitno pitanje koje treba riješiti.
Chen: Sjećam se rasprava o Ponte Vecchiu, gdje su koristili niskotemperaturni lem zbog razmatranja montaže, a ne zbog performansi.
S obzirom na to da sva obližnja kola i dalje imaju termalnih problema, kako bi fotonika trebala biti integrirana u ovo?
Roosendaal: Termalna simulacija mora se provesti za sve aspekte, a ekstrakcija visoke frekvencije je također neophodna jer ulazni signali jesu visokofrekventni signali. Stoga se moraju riješiti problemi poput usklađivanja impedanse i pravilnog uzemljenja. Mogu postojati značajni temperaturni gradijenti, koji mogu postojati unutar samog čipa ili između onoga što nazivamo "E" čipom (električni čip) i "P" čipom (fotonski čip). Zanima me da li trebamo dublje istražiti termalne karakteristike ljepila.
Ovo pokreće diskusije o materijalima za vezivanje, njihovom odabiru i stabilnosti tokom vremena. Očigledno je da je hibridna tehnologija vezivanja primijenjena u stvarnom svijetu, ali još nije korištena za masovnu proizvodnju. Kakvo je trenutno stanje ove tehnologije?
Kelly: Sve strane u lancu snabdijevanja obraćaju pažnju na tehnologiju hibridnog vezivanja. Trenutno, ovu tehnologiju uglavnom predvode ljevaonice, ali OSAT (Outsourced Semiconductor Assembly and Test) kompanije također ozbiljno proučavaju njene komercijalne primjene. Klasične komponente za hibridno dielektrično vezivanje bakra prošle su dugoročnu validaciju. Ako se čistoća može kontrolirati, ovaj proces može proizvesti vrlo robusne komponente. Međutim, ima izuzetno visoke zahtjeve za čistoćom, a troškovi kapitalne opreme su vrlo visoki. Iskusili smo rane pokušaje primjene u AMD-ovoj Ryzen liniji proizvoda, gdje je većina SRAM-a koristila tehnologiju hibridnog vezivanja bakra. Međutim, nisam vidio mnogo drugih kupaca koji primjenjuju ovu tehnologiju. Iako se nalazi na tehnološkim mapama puta mnogih kompanija, čini se da će trebati još nekoliko godina da srodni paketi opreme ispune nezavisne zahtjeve za čistoćom. Ako se može primijeniti u fabričkom okruženju s nešto nižom čistoćom od tipične tvornice wafera i ako se mogu postići niži troškovi, onda će možda ova tehnologija dobiti više pažnje.
Chen: Prema mojoj statistici, na ECTC konferenciji 2024. godine bit će predstavljeno najmanje 37 radova o hibridnom vezivanju. Ovo je proces koji zahtijeva mnogo stručnosti i uključuje značajnu količinu finih operacija tokom montaže. Dakle, ova tehnologija će definitivno dobiti široku primjenu. Već postoje neki slučajevi primjene, ali u budućnosti će postati sve rasprostranjenija u raznim oblastima.
Kada spominjete "fine operacije", da li mislite na potrebu za značajnim finansijskim ulaganjima?
Chen: Naravno, to uključuje vrijeme i stručnost. Izvođenje ove operacije zahtijeva vrlo čistu okolinu, što zahtijeva financijska ulaganja. Također zahtijeva odgovarajuću opremu, koja slično zahtijeva finansiranje. Dakle, ovo uključuje ne samo operativne troškove već i ulaganja u objekte.
Kelly: U slučajevima s razmakom od 15 mikrona ili većim, postoji značajan interes za korištenje tehnologije spajanja bakrenih stubova između pločica. Idealno bi bilo da su pločice ravne, a veličine čipova nisu velike, što omogućava visokokvalitetno ponovno livenje za neke od ovih razmaka. Iako ovo predstavlja neke izazove, mnogo je jeftinije od korištenja tehnologije hibridnog vezivanja bakra. Međutim, ako je zahtjev za preciznošću 10 mikrona ili manje, situacija se mijenja. Kompanije koje koriste tehnologiju slaganja čipova postići će jednocifrene mikronske razmake, kao što su 4 ili 5 mikrona, i nema alternative. Stoga će se relevantna tehnologija neizbježno razvijati. Međutim, postojeće tehnologije se također kontinuirano poboljšavaju. Stoga se sada fokusiramo na granice do kojih se bakreni stubovi mogu proširiti i hoće li ova tehnologija trajati dovoljno dugo da kupci odgode sva ulaganja u dizajn i "kvalifikaciju" razvoja prave tehnologije hibridnog vezivanja bakra.
Chen: Usvojit ćemo relevantne tehnologije samo kada postoji potražnja.
Ima li trenutno mnogo novih dostignuća u oblasti epoksidnih masa za kalupljenje?
Kelly: Mase za kalupljenje su pretrpjele značajne promjene. Njihov CTE (koeficijent termičkog širenja) je znatno smanjen, što ih čini povoljnijim za relevantne primjene sa stanovišta pritiska.
Otte: Vraćajući se na našu prethodnu diskusiju, koliko se poluprovodničkih čipova trenutno proizvodi s razmakom od 1 ili 2 mikrona?
Kelly: Značajan udio.
Chen: Vjerovatno manje od 1%.
Otte: Dakle, tehnologija o kojoj raspravljamo nije uobičajena. Nije u fazi istraživanja, jer vodeće kompanije zaista primjenjuju ovu tehnologiju, ali je skupa i ima niske prinose.
Kelly: Ovo se uglavnom primjenjuje u računarstvu visokih performansi. Danas se koristi ne samo u podatkovnim centrima, već i u vrhunskim računarima, pa čak i u nekim ručnim uređajima. Iako su ovi uređaji relativno mali, i dalje imaju visoke performanse. Međutim, u širem kontekstu procesora i CMOS aplikacija, njegov udio ostaje relativno mali. Za obične proizvođače čipova nema potrebe za usvajanjem ove tehnologije.
Otte: Zato je iznenađujuće vidjeti da ova tehnologija ulazi u automobilsku industriju. Automobilima nisu potrebni čipovi da budu izuzetno mali. Mogu ostati na procesima od 20 ili 40 nanometara, jer je cijena po tranzistoru u poluprovodnicima najniža u ovom procesu.
Kelly: Međutim, računarski zahtjevi za ADAS ili autonomnu vožnju isti su kao i za AI računare ili slične uređaje. Stoga automobilska industrija zaista mora ulagati u ove najsavremenije tehnologije.
Ako je ciklus proizvoda pet godina, da li bi usvajanje novih tehnologija moglo produžiti prednost za još pet godina?
Kelly: To je vrlo razumna poenta. Automobilska industrija ima drugu perspektivu. Razmotrite jednostavne servo kontrolere ili relativno jednostavne analogne uređaje koji postoje već 20 godina i vrlo su jeftini. Oni koriste male čipove. Ljudi u automobilskoj industriji žele nastaviti koristiti ove proizvode. Žele investirati samo u vrlo vrhunske računarske uređaje s malim digitalnim čipovima i eventualno ih upariti s jeftinim analognim čipovima, fleš memorijom i RF čipovima. Za njih, model malog čipa ima mnogo smisla jer mogu zadržati mnoge jeftine, stabilne dijelove starije generacije. Oni niti žele mijenjati ove dijelove niti im je to potrebno. Zatim, samo trebaju dodati vrhunski mali čip od 5 nanometara ili 3 nanometara kako bi ispunili funkcije ADAS dijela. U stvari, oni primjenjuju različite vrste malih čipova u jednom proizvodu. Za razliku od PC i računarskih oblasti, automobilska industrija ima raznovrsniji spektar primjena.
Chen: Štaviše, ovi čipovi ne moraju biti instalirani pored motora, tako da su uslovi okoline relativno bolji.
Kelly: Temperatura okoline u automobilima je prilično visoka. Stoga, čak i ako snaga čipa nije posebno visoka, automobilska industrija mora uložiti određena sredstva u dobra rješenja za upravljanje temperaturom, a možda čak i razmotriti korištenje indij TIM-a (termički interfejs materijali) jer su uslovi okoline vrlo surovi.
Vrijeme objave: 28. april 2025.