Ambalajul semiconductorilor a evoluat de la modelele tradiționale de PCB 1D la lipirea hibridă 3D de ultimă oră la nivel de plachetă. Acest progres permite spațierea interconectarii în intervalul de microni cu o singură cifră, cu lățimi de bandă de până la 1000 GB/s, menținând în același timp o eficiență energetică ridicată. La baza tehnologiilor avansate de ambalare a semiconductoarelor 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 ambalare 2.5D implică diverse materiale de strat intermediar, fiecare cu propriile avantaje și dezavantaje. Straturile intermediare de siliciu (Si), inclusiv plachetele de siliciu complet pasive și punțile de siliciu localizate, sunt cunoscute pentru că oferă cele mai bune capacități de cablare, făcându-le ideale pentru calculul de înaltă performanță. Cu toate acestea, sunt costisitoare în ceea ce privește materialele și producția și se confruntă cu limitări în domeniul ambalajului. Pentru a atenua aceste probleme, utilizarea punților de siliciu localizate este în creștere, utilizând strategic siliciul în cazul în care funcționalitatea fină este critică în timp ce abordează constrângerile zonei.
Straturile intermediare organice, care folosesc materiale plastice turnate, sunt o alternativă mai rentabilă la siliciu. Au o constantă dielectrică mai mică, ceea ce reduce întârzierea RC în pachet. 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 strâns un interes semnificativ, mai ales după lansarea recentă de către Intel a ambalajelor pentru vehicule de testare pe bază de sticlă. Sticla oferă mai multe avantaje, cum ar fi coeficientul reglabil de dilatare termică (CTE), stabilitate dimensională ridicată, suprafețe netede și plane și capacitatea de a sprijini fabricarea panourilor, făcându-l un candidat promițător pentru straturi intermediare cu capacități de cablare comparabile cu siliciul. Cu toate acestea, în afară de provocările tehnice, principalul dezavantaj al straturilor intermediare de 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 din ambalajele semiconductoarelor pot crește și adoptă în continuare.
În ceea ce privește tehnologia de ambalare 3D, lipirea hibridă Cu-Cu fără denivelări 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 atinge distanțe sub 10 microni, de obicei în intervalul de microni cu o singură cifră, reprezentând o îmbunătățire semnificativă față de tehnologia tradițională de micro-bump, care are distanțe între denivelări de aproximativ 40-50 microni. Avantajele legăturii hibride includ I/O mărită, lățime de bandă îmbunătățită, stivuire verticală 3D îmbunătățită, eficiență energetică mai bună și efecte parazitare reduse și rezistență termică datorită absenței umplerii inferioare. Cu toate acestea, această tehnologie este complex de fabricat și are costuri mai mari.
Tehnologiile de ambalare 2.5D și 3D cuprind diverse tehnici de ambalare. În ambalajul 2.5D, în funcție de alegerea materialelor stratului intermediar, acesta poate fi clasificat în straturi intermediare pe bază de siliciu, pe bază organică și pe bază de sticlă, așa cum se arată în figura de mai sus. În ambalajele 3D, dezvoltarea tehnologiei micro-bump are ca scop reducerea dimensiunilor de spațiere, dar astăzi, prin adoptarea tehnologiei de lipire hibridă (o metodă de conectare directă Cu-Cu), se pot obține dimensiuni de spațiere cu o singură cifră, marcând progrese semnificative în domeniu .
**Tendințe tehnologice cheie de urmărit:**
1. **Zone intermediare mai mari:** IDTechEx a prezis anterior că, din cauza dificultății cu care straturile intermediare de siliciu depășesc limita de 3 ori dimensiunea reticulei, soluțiile de punte de siliciu 2.5D vor înlocui în curând straturile intermediare de siliciu ca alegere 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 CoWoS_L de prima generație cu o dimensiune a reticulul de 3,5x. IDTechEx se așteaptă ca această tendință să continue, cu progrese suplimentare discutate în raportul său care acoperă jucătorii importanți.
2. **Ambalaj la nivel de panou:** Ambalajul la nivel de panou a devenit un accent semnificativ, așa cum sa subliniat 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 mai multor pachete simultan. În ciuda potențialului său, provocări precum gestionarea warpage-ului încă trebuie abordate. Proeminența sa în creștere reflectă cererea în creștere pentru straturi intermediare mai mari și mai rentabile.
3. **Straturi intermediare din sticlă:** Sticla este un material candidat puternic pentru realizarea cablajului fin, comparabil cu siliciul, cu avantaje suplimentare, cum ar fi CTE reglabil și fiabilitate mai mare. Straturile intermediare din sticlă sunt, de asemenea, compatibile cu ambalarea la nivel de panou, oferind potențialul de cablare de înaltă densitate la costuri mai gestionabile, făcându-l o soluție promițătoare pentru viitoarele tehnologii de ambalare.
4. **Lipirea hibridă HBM:** Legătura hibridă 3D cupru-cupru (Cu-Cu) este o tehnologie cheie pentru realizarea interconexiunilor 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 procesoare stivuite, precum și seria MI300 pentru stivuirea blocurilor CPU/GPU pe matrițele I/O. Legătura hibridă este de așteptat să joace un rol crucial în viitoarele progrese HBM, în special pentru stivele DRAM care depășesc straturi de 16-Hi sau 20-Hi.
5. **Co-Packaged Optical Devices (CPO):** Odată cu cererea în creștere pentru un flux de date mai mare și eficiență energetică, 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. În comparație cu transmisia electrică tradițională, comunicarea optică oferă mai multe avantaje, inclusiv atenuare mai mică a semnalului pe distanțe lungi, sensibilitate redusă la diafonie și lățime de bandă semnificativ crescută. Aceste avantaje fac din CPO o alegere ideală pentru sistemele HPC mari consumatoare de date și eficiente din punct de vedere energetic.
**Piețe cheie de urmărit:**
Piața principală care conduce dezvoltarea tehnologiilor de ambalare 2.5D și 3D este, fără îndoială, sectorul de calcul de înaltă performanță (HPC). Aceste metode avansate de ambalare sunt cruciale pentru depășirea limitărilor Legii lui Moore, permițând mai mulți tranzistori, 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, de asemenea, că alte piețe vor atinge creștere prin adoptarea unor tehnologii avansate de ambalare. În sectoarele 5G și 6G, inovații precum antenele de ambalare și soluțiile de cip de ultimă oră vor modela viitorul arhitecturilor de rețele de acces fără fir (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, managementul energiei și termice și eficiența costurilor.
Electronicele de larg consum (inclusiv smartphone-uri, ceasuri inteligente, dispozitive AR/VR, PC-uri și stații de lucru) sunt din ce în ce mai concentrate pe procesarea mai multor date în spații mai mici, în ciuda unui accent mai mare pe cost. Ambalarea avansată a semiconductorilor va juca un rol cheie în această tendință, deși metodele de ambalare pot diferi de cele utilizate în HPC.
Ora postării: 25-oct-2024