Технология упаковки полупроводников эволюционировала от традиционных одномерных конструкций печатных плат до передовой трехмерной гибридной сварки на уровне пластины. Это достижение позволяет создавать межсоединения с межслоевым расстоянием в диапазоне нескольких микрон, пропускной способностью до 1000 ГБ/с при сохранении высокой энергоэффективности. В основе передовых технологий упаковки полупроводников лежат 2,5D-упаковка (где компоненты размещаются рядом друг с другом на промежуточном слое) и 3D-упаковка (которая включает вертикальное размещение активных чипов). Эти технологии имеют решающее значение для будущего высокопроизводительных вычислительных систем.
Технология 2.5D-упаковки включает в себя различные материалы промежуточных слоев, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Кремниевые (Si) промежуточные слои, включая полностью пассивные кремниевые пластины и локализованные кремниевые мостики, известны тем, что обеспечивают наилучшие возможности для тонкой проводки, что делает их идеальными для высокопроизводительных вычислений. Однако они дороги с точки зрения материалов и производства, а также имеют ограничения по площади упаковки. Для решения этих проблем все большее распространение получают локализованные кремниевые мостики, стратегически использующие кремний там, где критически важна тонкая функциональность, одновременно решая проблемы, связанные с ограничениями по площади.
Органические промежуточные слои, изготовленные методом формования из пластика с разводкой кромок, являются более экономичной альтернативой кремнию. Они обладают более низкой диэлектрической постоянной, что снижает RC-задержку в корпусе. Несмотря на эти преимущества, органические промежуточные слои с трудом достигают такого же уровня уменьшения количества элементов межсоединений, как кремниевые корпуса, что ограничивает их применение в высокопроизводительных вычислительных приложениях.
Стеклянные промежуточные слои вызвали значительный интерес, особенно после недавнего запуска компанией Intel тестовой упаковки на основе стекла. Стекло обладает рядом преимуществ, таких как регулируемый коэффициент теплового расширения (КТР), высокая стабильность размеров, гладкие и плоские поверхности, а также возможность производства панелей, что делает его перспективным кандидатом для промежуточных слоев с возможностями проводки, сопоставимыми с кремнием. Однако, помимо технических проблем, основным недостатком стеклянных промежуточных слоев является незрелая экосистема и текущее отсутствие крупномасштабных производственных мощностей. По мере развития экосистемы и улучшения производственных возможностей технологии на основе стекла в полупроводниковой упаковке могут получить дальнейшее развитие и распространение.
В области технологий 3D-упаковки гибридная медно-медная сварка без использования контактных площадок становится ведущей инновационной технологией. Эта передовая технология позволяет создавать постоянные межсоединения путем объединения диэлектрических материалов (например, SiO2) с внедренными металлами (Cu). Гибридная медно-медная сварка позволяет достигать расстояний менее 10 микрон, обычно в диапазоне нескольких микрон, что представляет собой значительное улучшение по сравнению с традиционной технологией микроконтактных площадок, где расстояния между контактными площадками составляют около 40-50 микрон. Преимущества гибридной сварки включают увеличение ввода/вывода, повышение пропускной способности, улучшение вертикальной 3D-укладки, повышение энергоэффективности, а также снижение паразитных эффектов и теплового сопротивления благодаря отсутствию нижнего заполнения. Однако эта технология сложна в производстве и имеет более высокую стоимость.
Технологии 2.5D и 3D упаковки включают в себя различные методы упаковки. В 2.5D упаковке, в зависимости от выбора материалов промежуточного слоя, промежуточные слои могут быть разделены на кремниевые, органические и стеклянные, как показано на рисунке выше. В 3D упаковке разработка технологии микровыступов направлена на уменьшение размеров зазоров, но сегодня, благодаря применению технологии гибридного соединения (метод прямого соединения Cu-Cu), можно достичь размеров зазоров в несколько десятков, что является значительным прогрессом в этой области.
**Ключевые технологические тенденции, за которыми стоит следить:**
1. **Увеличение площади промежуточных слоев:** Ранее IDTechEx прогнозировала, что из-за сложности создания кремниевых промежуточных слоев, превышающих трехкратный размер фотошаблона, решения на основе 2,5D кремниевых мостов вскоре заменят кремниевые промежуточные слои в качестве основного варианта упаковки чипов для высокопроизводительных вычислений. TSMC является крупным поставщиком 2,5D кремниевых промежуточных слоев для NVIDIA и других ведущих разработчиков высокопроизводительных вычислений, таких как Google и Amazon, и недавно компания объявила о массовом производстве своего первого поколения CoWoS_L с размером фотошаблона в 3,5 раза больше стандартного. IDTechEx ожидает, что эта тенденция сохранится, а дальнейшие усовершенствования будут обсуждаться в отчете, посвященном основным игрокам рынка.
2. **Упаковка на уровне панели:** Упаковка на уровне панели стала важным направлением, что 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 корпусов. Несмотря на свой потенциал, по-прежнему необходимо решать такие проблемы, как управление деформацией. Растущая популярность этого метода отражает растущий спрос на более крупные и экономичные промежуточные слои.
3. **Стеклянные промежуточные слои:** Стекло становится перспективным материалом для создания тонкой проводки, сравнимой с кремнием, с дополнительными преимуществами, такими как регулируемый коэффициент теплового расширения и более высокая надежность. Стеклянные промежуточные слои также совместимы с панельной упаковкой, что открывает потенциал для высокоплотной проводки при более приемлемых затратах, делая его многообещающим решением для будущих технологий упаковки.
4. **Гибридное соединение HBM:** 3D-гибридное соединение медь-медь (Cu-Cu) — ключевая технология для достижения сверхтонких вертикальных межсоединений между чипами. Эта технология используется в различных высокопроизводительных серверных продуктах, включая AMD EPYC для многослойной SRAM и процессоров, а также в серии MI300 для многослойного размещения блоков CPU/GPU на кристаллах ввода-вывода. Ожидается, что гибридное соединение будет играть решающую роль в будущих разработках HBM, особенно для многослойных DRAM-стеков, превышающих 16 или 20 слоев.
5. **Оптические устройства в совместной упаковке (CPO):** В связи с растущим спросом на более высокую пропускную способность данных и энергоэффективность, технология оптических межсоединений привлекла значительное внимание. Оптические устройства в совместной упаковке (CPO) становятся ключевым решением для повышения пропускной способности ввода-вывода и снижения энергопотребления. По сравнению с традиционной электрической передачей, оптическая связь предлагает ряд преимуществ, включая меньшее затухание сигнала на больших расстояниях, снижение чувствительности к перекрестным помехам и значительно увеличенную пропускную способность. Эти преимущества делают CPO идеальным выбором для высокопроизводительных вычислительных систем с интенсивным использованием данных и низким энергопотреблением.
**Ключевые рынки, за которыми следует следить:**
Главным рынком, стимулирующим развитие технологий 2.5D и 3D упаковки, несомненно, является сектор высокопроизводительных вычислений (HPC). Эти передовые методы упаковки имеют решающее значение для преодоления ограничений закона Мура, позволяя размещать больше транзисторов, памяти и межсоединений в одном корпусе. Декомпозиция микросхем также позволяет оптимально использовать технологические узлы между различными функциональными блоками, например, разделяя блоки ввода-вывода и блоки обработки, что еще больше повышает эффективность.
Помимо высокопроизводительных вычислений (HPC), ожидается рост и на других рынках за счет внедрения передовых технологий упаковки. В секторах 5G и 6G инновации, такие как упаковка антенн и передовые решения для чипов, определят будущее архитектуры беспроводных сетей доступа (RAN). Автономные транспортные средства также получат выгоду, поскольку эти технологии поддерживают интеграцию сенсорных комплексов и вычислительных блоков для обработки больших объемов данных, обеспечивая при этом безопасность, надежность, компактность, управление энергопотреблением и тепловым режимом, а также экономическую эффективность.
Потребительская электроника (включая смартфоны, умные часы, устройства дополненной и виртуальной реальности, персональные компьютеры и рабочие станции) все больше ориентируется на обработку большего объема данных в меньших габаритах, несмотря на растущее внимание к снижению затрат. Передовые методы упаковки полупроводников будут играть ключевую роль в этой тенденции, хотя методы упаковки могут отличаться от тех, которые используются в высокопроизводительных вычислениях.
Дата публикации: 07.10.2024