Industria cipurilor auto trece prin schimbări
Recent, echipa de inginerie a semiconductorilor a discutat despre cipuri mici, lipire hibridă și materiale noi cu Michael Kelly, vicepreședinte al departamentului de integrare a cipurilor mici și FCBGA de la Amkor. La discuție au participat, de asemenea, cercetătorul ASE William Chen, CEO-ul Promex Industries Dick Otte și Sander Roosendaal, director de cercetare și dezvoltare al Synopsys Photonics Solutions. Mai jos sunt extrase din această discuție.
Timp de mulți ani, dezvoltarea cipurilor auto nu a ocupat o poziție de lider în industrie. Cu toate acestea, odată cu creșterea numărului de vehicule electrice și dezvoltarea sistemelor avansate de infotainment, această situație s-a schimbat dramatic. Ce probleme ați observat?
Kelly: Sistemele ADAS (Advanced Driver Assistance Systems - Sistemele avansate de asistență a șoferului) de înaltă performanță necesită procesoare cu un proces de 5 nanometri sau mai mic pentru a fi competitive pe piață. Odată ce intri în procesul de 5 nanometri, trebuie să iei în considerare costurile waferelor, ceea ce duce la o analiză atentă a soluțiilor pentru cipuri mici, deoarece este dificil să se fabrice cipuri mari prin procesul de 5 nanometri. În plus, randamentul este scăzut, ceea ce duce la costuri extrem de mari. Atunci când se ocupă de procese de 5 nanometri sau mai avansate, clienții iau de obicei în considerare selectarea unei porțiuni din cipul de 5 nanometri, în loc să utilizeze întregul cip, crescând în același timp investițiile în etapa de ambalare. S-ar putea gândi: „Ar fi o opțiune mai rentabilă să obții performanța necesară în acest fel, decât să încerci să completezi toate funcțiile într-un cip mai mare?” Deci, da, companiile auto de înaltă performanță acordă cu siguranță atenție tehnologiei cipurilor mici. Companiile de top din industrie monitorizează îndeaproape acest lucru. Comparativ cu domeniul informaticii, industria auto este probabil cu 2 până la 4 ani în urmă în aplicarea tehnologiei cipurilor mici, dar tendința de aplicare a acesteia în sectorul auto este clară. Industria auto are cerințe extrem de ridicate în materie de fiabilitate, așadar fiabilitatea tehnologiei cipurilor mici trebuie demonstrată. Cu toate acestea, aplicarea pe scară largă a tehnologiei cipurilor mici în domeniul auto este cu siguranță pe cale să se întâmple.
Chen: Nu am observat niciun obstacol semnificativ. Cred că este mai degrabă vorba despre nevoia de a învăța și înțelege în profunzime cerințele de certificare relevante. Acest lucru se referă la nivelul metrologiei. Cum fabricăm ambalaje care să îndeplinească standardele auto extrem de stricte? Dar este cert că tehnologia relevantă este în continuă evoluție.
Având în vedere numeroasele probleme termice și complexitățile asociate componentelor cu mai multe matrițe, vor exista noi profiluri de teste de stres sau diferite tipuri de teste? Pot standardele JEDEC actuale să acopere astfel de sisteme integrate?
Chen: Cred că trebuie să dezvoltăm metode de diagnosticare mai cuprinzătoare pentru a identifica clar sursa defecțiunilor. Am discutat despre combinarea metrologiei cu diagnosticarea și avem responsabilitatea de a descoperi cum să construim pachete mai robuste, să folosim materiale și procese de calitate superioară și să le validăm.
Kelly: În prezent, realizăm studii de caz cu clienți care au învățat ceva din testarea la nivel de sistem, în special testarea impactului temperaturii în testele funcționale ale plăcilor de circuite imprimate, lucru care nu este acoperit de testarea JEDEC. Testarea JEDEC este doar o testare izotermă, care implică „creșterea, scăderea și tranziția temperaturii”. Cu toate acestea, distribuția temperaturii în pachetele reale este departe de ceea ce se întâmplă în lumea reală. Tot mai mulți clienți doresc să efectueze testarea la nivel de sistem din timp, deoarece înțeleg această situație, deși nu toată lumea este conștientă de ea. Tehnologia de simulare joacă, de asemenea, un rol aici. Dacă cineva este priceput în simularea combinată termo-mecanică, analiza problemelor devine mai ușoară, deoarece știe pe ce aspecte să se concentreze în timpul testării. Testarea la nivel de sistem și tehnologia de simulare se completează reciproc. Cu toate acestea, această tendință este încă în stadii incipiente.
Există mai multe probleme termice de abordat la nodurile tehnologice mature decât în trecut?
Otte: Da, dar în ultimii doi ani, problemele de coplanaritate au devenit din ce în ce mai proeminente. Vedem între 5.000 și 10.000 de stâlpi de cupru pe un cip, distanțați între 50 de microni și 127 de microni. Dacă examinați cu atenție datele relevante, veți constata că plasarea acestor stâlpi de cupru pe substrat și efectuarea operațiunilor de încălzire, răcire și lipire prin reflow necesită atingerea unei precizii de coplanaritate de aproximativ o parte la o sută de mii. Precizia de o parte la o sută de mii este ca și cum ai găsi un fir de iarbă pe lungimea unui teren de fotbal. Am achiziționat câteva instrumente Keyence de înaltă performanță pentru a măsura planeitatea cipului și a substratului. Desigur, întrebarea care se ridică este cum să controlăm acest fenomen de deformare în timpul ciclului de lipire prin reflow? Aceasta este o problemă presantă care trebuie abordată.
Chen: Îmi amintesc discuțiile despre Ponte Vecchio, unde se folosea lipire la temperatură scăzută din motive de asamblare, mai degrabă decât din motive de performanță.
Având în vedere că toate circuitele din apropiere au încă probleme termice, cum ar trebui integrată fotonica în acest sens?
Roosendaal: Simularea termică trebuie efectuată pentru toate aspectele, iar extracția de înaltă frecvență este, de asemenea, necesară deoarece semnalele care intră sunt semnale de înaltă frecvență. Prin urmare, trebuie abordate aspecte precum adaptarea impedanței și împământarea corespunzătoare. Pot exista gradienți de temperatură semnificativi, care pot exista în interiorul matriței în sine sau între ceea ce numim matrița „E” (matrița electrică) și matrița „P” (matrița fotonică). Sunt curios dacă trebuie să aprofundăm caracteristicile termice ale adezivilor.
Acest lucru ridică discuții despre materialele de lipire, selecția lor și stabilitatea lor în timp. Este evident că tehnologia de lipire hibridă a fost aplicată în lumea reală, dar nu a fost încă utilizată pentru producția de masă. Care este stadiul actual al acestei tehnologii?
Kelly: Toate părțile implicate în lanțul de aprovizionare acordă atenție tehnologiei de lipire hibridă. În prezent, această tehnologie este condusă în principal de turnătorii, dar companiile OSAT (Externalized Semiconductor Assembly and Test - Asamblare și Testare Semiconductori Externalizați) studiază serios și aplicațiile sale comerciale. Componentele clasice de lipire dielectrică hibridă din cupru au fost supuse unei validări pe termen lung. Dacă curățenia poate fi controlată, acest proces poate produce componente foarte robuste. Cu toate acestea, are cerințe de curățenie extrem de ridicate, iar costurile echipamentelor de capital sunt foarte mari. Am experimentat încercări de aplicare timpurii în linia de produse Ryzen de la AMD, unde majoritatea SRAM-urilor foloseau tehnologia de lipire hibridă din cupru. Cu toate acestea, nu am văzut mulți alți clienți aplicând această tehnologie. Deși se află pe foile de parcurs tehnologice ale multor companii, se pare că va mai dura câțiva ani pentru ca suitele de echipamente aferente să îndeplinească cerințele independente de curățenie. Dacă poate fi aplicată într-un mediu de fabrică cu o curățenie puțin mai scăzută decât o fabrică tipică de napolitane și dacă se pot obține costuri mai mici, atunci poate că această tehnologie va primi mai multă atenție.
Chen: Conform statisticilor mele, cel puțin 37 de lucrări despre lipirea hibridă vor fi prezentate la conferința ECTC din 2024. Acesta este un proces care necesită multă expertiză și implică un număr semnificativ de operațiuni fine în timpul asamblării. Așadar, această tehnologie va avea cu siguranță o aplicare pe scară largă. Există deja câteva cazuri de aplicare, dar în viitor va deveni mai răspândită în diverse domenii.
Când menționați „operațiuni fine”, vă referiți la necesitatea unor investiții financiare semnificative?
Chen: Desigur, implică timp și expertiză. Efectuarea acestei operațiuni necesită un mediu foarte curat, ceea ce necesită investiții financiare. De asemenea, necesită echipamente aferente, care necesită, în mod similar, finanțare. Deci, acest lucru implică nu doar costuri operaționale, ci și investiții în instalații.
Kelly: În cazurile cu o distanță de 15 microni sau mai mare, există un interes semnificativ în utilizarea tehnologiei de tip wafer-wafer cu pilon de cupru. În mod ideal, waferele sunt plate, iar dimensiunile cipurilor nu sunt foarte mari, permițând o reflow de înaltă calitate pentru unele dintre aceste distanțe. Deși acest lucru prezintă unele provocări, este mult mai puțin costisitor decât adoptarea tehnologiei de lipire hibridă cu cupru. Cu toate acestea, dacă cerința de precizie este de 10 microni sau mai mică, situația se schimbă. Companiile care utilizează tehnologia de stivuire a cipurilor vor obține distanțe de o singură cifră în microni, cum ar fi 4 sau 5 microni, și nu există alternativă. Prin urmare, tehnologia relevantă se va dezvolta inevitabil. Cu toate acestea, tehnologiile existente se îmbunătățesc, de asemenea, continuu. Așadar, acum ne concentrăm asupra limitelor până la care se pot extinde pilonii de cupru și dacă această tehnologie va dura suficient de mult pentru ca clienții să amâne toate investițiile de dezvoltare a proiectării și „calificării” în tehnologia de lipire hibridă cu cupru adevărată.
Chen: Vom adopta tehnologii relevante doar atunci când va exista cerere.
Există multe dezvoltări noi în domeniul compușilor de turnare epoxidici în prezent?
Kelly: Compușii de turnare au suferit schimbări semnificative. Coeficientul lor de dilatare termică (CTE) a fost redus considerabil, ceea ce îi face mai favorabili pentru aplicații relevante din perspectiva presiunii.
Otte: Revenind la discuția noastră anterioară, câte cipuri semiconductoare sunt fabricate în prezent cu spațiere de 1 sau 2 microni?
Kelly: O proporție semnificativă.
Chen: Probabil mai puțin de 1%.
Otte: Deci tehnologia despre care discutăm nu este una populară. Nu se află în faza de cercetare, deoarece companiile de top aplică într-adevăr această tehnologie, dar este costisitoare și are randamente scăzute.
Kelly: Acest lucru se aplică în principal în calculul de înaltă performanță. În zilele noastre, este utilizat nu doar în centrele de date, ci și în PC-uri de ultimă generație și chiar în unele dispozitive portabile. Deși aceste dispozitive sunt relativ mici, ele au totuși performanțe ridicate. Cu toate acestea, în contextul mai larg al procesoarelor și aplicațiilor CMOS, proporția sa rămâne relativ mică. Pentru producătorii obișnuiți de cipuri, nu este nevoie să adopte această tehnologie.
Otte: De aceea este surprinzător să vedem această tehnologie intrând în industria auto. Mașinile nu au nevoie ca cipurile să fie extrem de mici. Pot rămâne la procese de 20 sau 40 de nanometri, deoarece costul per tranzistor în semiconductori este cel mai mic în acest proces.
Kelly: Cu toate acestea, cerințele de calcul pentru ADAS sau conducerea autonomă sunt aceleași ca cele pentru PC-urile cu inteligență artificială sau dispozitive similare. Prin urmare, industria auto trebuie să investească în aceste tehnologii de ultimă generație.
Dacă ciclul de viață al produsului este de cinci ani, ar putea adoptarea de noi tehnologii să extindă avantajul pentru încă cinci ani?
Kelly: Acesta este un punct de vedere foarte rezonabil. Industria auto are o altă perspectivă. Luați în considerare servocontrolere simple sau dispozitive analogice relativ simple, care există de 20 de ani și sunt foarte ieftine. Acestea folosesc cipuri mici. Oamenii din industria auto vor să continue să utilizeze aceste produse. Vor doar să investească în dispozitive de calcul de înaltă performanță, cu cipuri digitale mici și, eventual, să le combine cu cipuri analogice ieftine, memorie flash și cipuri RF. Pentru ei, modelul cu cip mic are mult sens, deoarece pot păstra multe piese ieftine, stabile, din generații mai vechi. Nu vor și nici nu trebuie să schimbe aceste piese. Apoi, trebuie doar să adauge un cip mic de 5 nanometri sau 3 nanometri, de înaltă performanță, pentru a îndeplini funcțiile porțiunii ADAS. De fapt, aplică diverse tipuri de cipuri mici într-un singur produs. Spre deosebire de domeniile PC și informatică, industria auto are o gamă mai diversă de aplicații.
Chen: Mai mult, aceste cipuri nu trebuie instalate lângă motor, așa că condițiile de mediu sunt relativ mai bune.
Kelly: Temperatura mediului înconjurător din mașini este destul de ridicată. Prin urmare, chiar dacă puterea cipului nu este deosebit de mare, industria auto trebuie să investească niște fonduri în soluții bune de gestionare termică și ar putea chiar să ia în considerare utilizarea TIM (materiale de interfață termică) cu indiu, deoarece condițiile de mediu sunt foarte dure.
Data publicării: 28 aprilie 2025