Полупроводниковая упаковка эволюционировала от традиционных одномерных конструкций печатных плат к новейшим гибридным трехмерным соединениям на уровне пластин. Это усовершенствование обеспечивает расстояние между межсоединениями в однозначном микронном диапазоне с пропускной способностью до 1000 ГБ/с, сохраняя при этом высокую энергоэффективность. В основе передовых технологий упаковки полупроводников лежат 2,5D-упаковка (где компоненты размещаются рядом на промежуточном слое) и 3D-упаковка (которая предполагает вертикальное расположение активных микросхем). Эти технологии имеют решающее значение для будущего систем HPC.
Технология упаковки 2.5D предполагает использование различных материалов промежуточного слоя, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Промежуточные слои кремния (Si), в том числе полностью пассивные кремниевые пластины и локализованные кремниевые мосты, известны тем, что обеспечивают наилучшие возможности подключения, что делает их идеальными для высокопроизводительных вычислений. Однако они являются дорогостоящими с точки зрения материалов и производства, а также имеют ограничения в области упаковки. Чтобы смягчить эти проблемы, использование локализованных кремниевых мостов увеличивается, стратегически применяя кремний там, где высокая функциональность имеет решающее значение при решении проблем с ограничениями по площади.
Органические промежуточные слои, изготовленные из формованного веером пластика, являются более экономичной альтернативой кремнию. Они имеют более низкую диэлектрическую проницаемость, что уменьшает задержку RC в корпусе. Несмотря на эти преимущества, органические промежуточные слои с трудом достигают того же уровня уменьшения возможностей межсоединений, что и корпуса на основе кремния, что ограничивает их применение в высокопроизводительных вычислительных приложениях.
Стеклянные промежуточные слои вызвали значительный интерес, особенно после недавнего запуска компанией Intel стеклянной упаковки для тестовых автомобилей. Стекло обладает рядом преимуществ, таких как регулируемый коэффициент теплового расширения (КТР), высокая стабильность размеров, гладкие и плоские поверхности, а также способность поддерживать производство панелей, что делает его многообещающим кандидатом в качестве промежуточных слоев с возможностями проводки, сравнимыми с кремнием. Однако, помимо технических проблем, основным недостатком промежуточных слоев стекла является неразвитая экосистема и нынешнее отсутствие крупномасштабных производственных мощностей. По мере развития экосистемы и улучшения производственных возможностей стеклянные технологии в полупроводниковой упаковке могут получить дальнейший рост и внедрение.
Что касается технологии 3D-упаковки, гибридное соединение Cu-Cu без ударов становится ведущей инновационной технологией. Эта передовая технология обеспечивает постоянные соединения путем объединения диэлектрических материалов (таких как SiO2) с внедренными металлами (Cu). Гибридное соединение Cu-Cu может обеспечить расстояние менее 10 микрон, обычно в пределах однозначного микрона, что представляет собой значительное улучшение по сравнению с традиционной технологией микровыступов, в которой расстояние между выступами составляет около 40-50 микрон. Преимущества гибридного соединения включают увеличение количества операций ввода-вывода, расширенную пропускную способность, улучшенное вертикальное трехмерное стекирование, лучшую энергоэффективность, а также снижение паразитных эффектов и термического сопротивления из-за отсутствия нижнего заполнения. Однако эта технология сложна в производстве и имеет более высокую стоимость.
Технологии упаковки 2.5D и 3D охватывают различные методы упаковки. В 2,5D-упаковке, в зависимости от выбора материалов промежуточного слоя, ее можно разделить на промежуточные слои на основе кремния, на органической основе и на основе стекла, как показано на рисунке выше. В 3D-упаковке развитие технологии микровыступов направлено на уменьшение размеров зазоров, но сегодня, приняв технологию гибридного соединения (метод прямого соединения Cu-Cu), можно достичь однозначных размеров зазоров, что знаменует собой значительный прогресс в этой области. .
**Основные технологические тенденции, за которыми стоит следить:**
1. **Большие площади промежуточных слоев.** IDTechEx ранее прогнозировала, что из-за сложности кремниевых промежуточных слоев, превышающих трехкратный предел размера сетки, кремниевые мостовые решения 2.5D вскоре заменят кремниевые промежуточные слои в качестве основного выбора для упаковки чипов HPC. TSMC является крупным поставщиком кремниевых промежуточных слоев 2.5D для NVIDIA и других ведущих разработчиков высокопроизводительных вычислений, таких как Google и Amazon. Недавно компания объявила о массовом производстве CoWoS_L первого поколения с размером сетки 3,5x. IDTechEx ожидает, что эта тенденция сохранится, и дальнейшие достижения обсуждаются в ее отчете, охватывающем основных игроков.
2. **Панельная упаковка.** Панельная упаковка стала предметом пристального внимания, как было подчеркнуто на Тайваньской международной выставке полупроводников 2024 года. Этот метод упаковки позволяет использовать более крупные промежуточные слои и помогает снизить затраты за счет одновременного производства большего количества упаковок. Несмотря на его потенциал, все еще необходимо решать такие проблемы, как управление короблением. Его растущая известность отражает растущий спрос на более крупные и экономически эффективные промежуточные слои.
3. **Стеклянные промежуточные слои.** Стекло становится подходящим материалом для создания тонкой проводки, сравнимой с кремнием, с дополнительными преимуществами, такими как регулируемый КТР и более высокая надежность. Стеклянные промежуточные слои также совместимы с упаковкой на уровне панели, что дает возможность прокладки проводов высокой плотности при более приемлемых затратах, что делает его многообещающим решением для будущих технологий упаковки.
4. **Гибридное соединение HBM:** 3D-гибридное соединение медь-медь (Cu-Cu) является ключевой технологией для достижения сверхтонких вертикальных соединений между чипами. Эта технология использовалась в различных высокопроизводительных серверных продуктах, включая AMD EPYC для составных SRAM и ЦП, а также в серии MI300 для укладки блоков ЦП/ГП на кристаллы ввода-вывода. Ожидается, что гибридное соединение сыграет решающую роль в будущих достижениях HBM, особенно для стеков DRAM, число слоев которых превышает 16-Hi или 20-Hi.
5. **Компактные оптические устройства (CPO):** В связи с растущим спросом на более высокую пропускную способность данных и энергоэффективность технология оптических соединений привлекла значительное внимание. Комбинированные оптические устройства (CPO) становятся ключевым решением для увеличения пропускной способности ввода-вывода и снижения энергопотребления. По сравнению с традиционной электрической передачей оптическая связь имеет ряд преимуществ, включая более низкое затухание сигнала на больших расстояниях, снижение чувствительности к перекрестным помехам и значительно увеличенную полосу пропускания. Эти преимущества делают CPO идеальным выбором для энергосберегающих высокопроизводительных систем с интенсивным использованием данных.
**Основные рынки, на которые стоит обратить внимание:**
Основным рынком, стимулирующим развитие технологий упаковки 2,5D и 3D, несомненно, является сектор высокопроизводительных вычислений (HPC). Эти передовые методы упаковки имеют решающее значение для преодоления ограничений закона Мура, позволяя использовать больше транзисторов, памяти и межсоединений в одном корпусе. Декомпозиция микросхем также позволяет оптимально использовать узлы процесса между различными функциональными блоками, например отделять блоки ввода-вывода от блоков обработки, что еще больше повышает эффективность.
Ожидается, что помимо высокопроизводительных вычислений (HPC) другие рынки также достигнут роста за счет внедрения передовых технологий упаковки. В секторах 5G и 6G такие инновации, как корпусные антенны и передовые чиповые решения, будут определять будущее архитектур сетей беспроводного доступа (RAN). Автономные транспортные средства также выиграют, поскольку эти технологии поддерживают интеграцию комплектов датчиков и вычислительных блоков для обработки больших объемов данных, обеспечивая при этом безопасность, надежность, компактность, управление энергопотреблением и температурным режимом, а также экономическую эффективность.
Бытовая электроника (включая смартфоны, умные часы, устройства AR/VR, ПК и рабочие станции) все больше ориентируется на обработку большего количества данных в меньших пространствах, несмотря на больший упор на стоимость. Усовершенствованная упаковка полупроводников будет играть ключевую роль в этой тенденции, хотя методы упаковки могут отличаться от тех, которые используются в HPC.
Время публикации: 25 октября 2024 г.