Ambalarea semiconductorilor a evoluat de la designurile tradiționale 1D ale PCB-urilor la lipire hibridă 3D de ultimă generație la nivel de plachetă. Această progresie permite spațierea interconectărilor în intervalul micronilor de o singură cifră, cu lățimi de bandă de până la 1000 GB/s, menținând în același timp o eficiență energetică ridicată. În centrul tehnologiilor avansate de ambalare a semiconductorilor se află ambalarea 2.5D (unde componentele sunt plasate una lângă alta pe un strat intermediar) și ambalarea 3D (care implică stivuirea verticală a cipurilor active). Aceste tehnologii sunt cruciale pentru viitorul sistemelor HPC.
Tehnologia de împachetare 2.5D implică diverse materiale pentru straturi intermediare, fiecare cu propriile avantaje și dezavantaje. Straturile intermediare de siliciu (Si), inclusiv napolitanele de siliciu complet pasive și punțile de siliciu localizate, sunt cunoscute pentru că oferă cele mai bune capacități de cablare, ceea ce le face ideale pentru calculul de înaltă performanță. Cu toate acestea, acestea sunt costisitoare din punct de vedere al materialelor și al procesului de fabricație și se confruntă cu limitări în ceea ce privește spațiul de împachetare. Pentru a atenua aceste probleme, utilizarea punților de siliciu localizate este în creștere, utilizând strategic siliciul acolo unde funcționalitatea fină este critică, abordând în același timp constrângerile de zonă.
Straturile intermediare organice, care utilizează materiale plastice turnate în fan-out, reprezintă o alternativă mai rentabilă la siliciu. Acestea au o constantă dielectrică mai mică, ceea ce reduce întârzierea RC în ambalaj. În ciuda acestor avantaje, straturile intermediare organice se luptă să atingă același nivel de reducere a caracteristicilor de interconectare ca și ambalajele pe bază de siliciu, limitând adoptarea lor în aplicațiile de calcul de înaltă performanță.
Straturile intermediare din sticlă au stârnit un interes semnificativ, în special după lansarea recentă de către Intel a ambalajelor pe bază de sticlă pentru vehicule de testare. Sticla oferă mai multe avantaje, cum ar fi coeficientul de dilatare termică (CTE) reglabil, stabilitatea dimensională ridicată, suprafețele netede și plane și capacitatea de a susține fabricarea panourilor, ceea ce o face un candidat promițător pentru straturile intermediare cu capacități de cablare comparabile cu siliciul. Cu toate acestea, pe lângă provocările tehnice, principalul dezavantaj al straturilor intermediare din sticlă este ecosistemul imatur și lipsa actuală a capacității de producție la scară largă. Pe măsură ce ecosistemul se maturizează și capacitățile de producție se îmbunătățesc, tehnologiile pe bază de sticlă în ambalajele semiconductorilor ar putea înregistra o creștere și o adoptare suplimentară.
În ceea ce privește tehnologia de ambalare 3D, lipirea hibridă Cu-Cu fără proeminențe (bump-less) devine o tehnologie inovatoare de vârf. Această tehnică avansată realizează interconexiuni permanente prin combinarea materialelor dielectrice (cum ar fi SiO2) cu metale încorporate (Cu). Lipirea hibridă Cu-Cu poate obține spațieri sub 10 microni, de obicei în intervalul micronilor cu o singură cifră, reprezentând o îmbunătățire semnificativă față de tehnologia tradițională cu micro-proeminențe, care are spații între proeminențe de aproximativ 40-50 microni. Avantajele lipirii hibride includ creșterea I/O, lățimea de bandă îmbunătățită, stivuirea verticală 3D îmbunătățită, o eficiență energetică mai bună și efecte parazitare și rezistență termică reduse datorită absenței umplerii inferioare. Cu toate acestea, această tehnologie este complexă de fabricat și are costuri mai mari.
Tehnologiile de ambalare 2.5D și 3D cuprind diverse tehnici de ambalare. În ambalajele 2.5D, în funcție de alegerea materialelor stratului intermediar, acestea pot fi clasificate în straturi intermediare pe bază de siliciu, pe bază de materiale organice și pe bază de sticlă, așa cum se arată în figura de mai sus. În ambalajele 3D, dezvoltarea tehnologiei micro-bump își propune să reducă dimensiunile de spațiere, dar astăzi, prin adoptarea tehnologiei de lipire hibridă (o metodă de conectare directă Cu-Cu), se pot obține dimensiuni de spațiere de o singură cifră, marcând un progres semnificativ în domeniu.
**Tendințe tehnologice cheie de urmărit:**
1. **Zone mai mari ale straturilor intermediare:** IDTechEx a prezis anterior că, din cauza dificultății ca straturile intermediare de siliciu să depășească limita de dimensiune a reticulului de 3x, soluțiile de punte de siliciu 2.5D vor înlocui în curând straturile intermediare de siliciu ca opțiune principală pentru ambalarea cipurilor HPC. TSMC este un furnizor major de straturi intermediare de siliciu 2.5D pentru NVIDIA și alți dezvoltatori HPC de top, precum Google și Amazon, iar compania a anunțat recent producția în masă a primei sale generații de CoWoS_L cu o dimensiune a reticulului de 3,5x. IDTechEx se așteaptă ca această tendință să continue, iar progresele suplimentare vor fi discutate în raportul său, acoperind jucătorii majori.
2. **Ambalare la nivel de panou:** Ambalarea la nivel de panou a devenit un punct de interes semnificativ, așa cum s-a evidențiat la Expoziția Internațională de Semiconductori din Taiwan din 2024. Această metodă de ambalare permite utilizarea unor straturi intermediare mai mari și ajută la reducerea costurilor prin producerea simultană a mai multor ambalaje. În ciuda potențialului său, provocări precum gestionarea deformării trebuie încă abordate. Importanța sa tot mai mare reflectă cererea tot mai mare de straturi intermediare mai mari și mai rentabile.
3. **Straturi intermediare din sticlă:** Sticla se impune ca un material candidat puternic pentru realizarea unei cablaje fine, comparabile cu siliciul, cu avantaje suplimentare, cum ar fi CTE reglabil și fiabilitate mai mare. Straturile intermediare din sticlă sunt, de asemenea, compatibile cu ambalajele la nivel de panou, oferind potențialul pentru cablaje de înaltă densitate la costuri mai accesibile, ceea ce o face o soluție promițătoare pentru viitoarele tehnologii de ambalare.
4. **Lipirea hibridă HBM:** Lipirea hibridă 3D cupru-cupru (Cu-Cu) este o tehnologie cheie pentru obținerea unor interconexiuni verticale cu pas ultra-fin între cipuri. Această tehnologie a fost utilizată în diverse produse de server de ultimă generație, inclusiv AMD EPYC pentru SRAM și CPU suprapuse, precum și în seria MI300 pentru stivuirea blocurilor CPU/GPU pe matrițele I/O. Se așteaptă ca lipirea hibridă să joace un rol crucial în viitoarele progrese HBM, în special pentru stivele DRAM care depășesc straturi de 16-Hi sau 20-Hi.
5. **Dispozitive optice co-ambalate (CPO):** Având în vedere cererea tot mai mare pentru un debit de date mai mare și o eficiență energetică mai mare, tehnologia de interconectare optică a câștigat o atenție considerabilă. Dispozitivele optice co-ambalate (CPO) devin o soluție cheie pentru îmbunătățirea lățimii de bandă I/O și reducerea consumului de energie. Comparativ cu transmisia electrică tradițională, comunicațiile optice oferă mai multe avantaje, inclusiv o atenuare mai mică a semnalului pe distanțe lungi, o sensibilitate redusă la diafonie și o lățime de bandă semnificativ crescută. Aceste avantaje fac din CPO o alegere ideală pentru sistemele HPC cu consum mare de date și eficiență energetică.
**Piețe cheie de urmărit:**
Piața principală care stimulează dezvoltarea tehnologiilor de împachetare 2.5D și 3D este, fără îndoială, sectorul calculului de înaltă performanță (HPC). Aceste metode avansate de împachetare sunt cruciale pentru depășirea limitelor Legii lui Moore, permițând mai multe tranzistoare, memorie și interconexiuni într-un singur pachet. Descompunerea cipurilor permite, de asemenea, utilizarea optimă a nodurilor de proces între diferite blocuri funcționale, cum ar fi separarea blocurilor I/O de blocurile de procesare, sporind și mai mult eficiența.
Pe lângă calculul de înaltă performanță (HPC), se așteaptă ca și alte piețe să înregistreze o creștere prin adoptarea tehnologiilor avansate de ambalare. În sectoarele 5G și 6G, inovațiile precum antenele de ambalare și soluțiile de cipuri de ultimă generație vor modela viitorul arhitecturilor rețelelor de acces wireless (RAN). Vehiculele autonome vor beneficia, de asemenea, deoarece aceste tehnologii susțin integrarea suitelor de senzori și a unităților de calcul pentru a procesa cantități mari de date, asigurând în același timp siguranța, fiabilitatea, compactitatea, gestionarea energiei și a temperaturii și eficiența costurilor.
Electronicele de larg consum (inclusiv smartphone-uri, ceasuri inteligente, dispozitive AR/VR, PC-uri și stații de lucru) se concentrează din ce în ce mai mult pe procesarea mai multor date în spații mai mici, în ciuda unui accent mai mare pus pe costuri. Ambalajele avansate pentru semiconductori vor juca un rol cheie în această tendință, deși metodele de ambalare pot diferi de cele utilizate în HPC.
Data publicării: 07 oct. 2024