Упаковка полупроводников прошла путь от традиционных 1D-проектов печатных плат до передовой 3D-гибридной связи на уровне пластин. Это достижение позволяет делать межсоединения в диапазоне микрометров с пропускной способностью до 1000 ГБ/с, сохраняя при этом высокую энергоэффективность. В основе современных технологий упаковки полупроводников лежат 2,5D-упаковка (где компоненты размещаются рядом на промежуточном слое) и 3D-упаковка (которая подразумевает вертикальное размещение активных чипов). Эти технологии имеют решающее значение для будущего систем HPC.
Технология упаковки 2.5D включает в себя различные материалы промежуточных слоев, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Промежуточные слои кремния (Si), включая полностью пассивные кремниевые пластины и локализованные кремниевые мосты, известны тем, что обеспечивают самые лучшие возможности проводки, что делает их идеальными для высокопроизводительных вычислений. Однако они дороги с точки зрения материалов и производства и сталкиваются с ограничениями по площади упаковки. Чтобы смягчить эти проблемы, все больше используется локализованных кремниевых мостов, стратегически применяя кремний там, где критически важна тонкая функциональность, при этом решая ограничения по площади.
Органические промежуточные слои, использующие формованные пластмассы с разветвлением, являются более экономичной альтернативой кремнию. Они имеют более низкую диэлектрическую постоянную, что снижает задержку RC в корпусе. Несмотря на эти преимущества, органические промежуточные слои с трудом достигают того же уровня сокращения функций межсоединений, что и корпус на основе кремния, что ограничивает их применение в высокопроизводительных вычислительных приложениях.
Промежуточные слои из стекла привлекли значительный интерес, особенно после недавнего запуска Intel упаковки тестовых автомобилей на основе стекла. Стекло обладает рядом преимуществ, таких как регулируемый коэффициент теплового расширения (CTE), высокая размерная стабильность, гладкие и плоские поверхности и способность поддерживать производство панелей, что делает его перспективным кандидатом для промежуточных слоев с возможностями проводки, сопоставимыми с кремнием. Однако, помимо технических проблем, основным недостатком промежуточных слоев из стекла является незрелая экосистема и отсутствие в настоящее время крупномасштабных производственных мощностей. По мере развития экосистемы и улучшения производственных возможностей технологии на основе стекла в упаковке полупроводников могут получить дальнейший рост и внедрение.
С точки зрения технологии 3D-упаковки, гибридное соединение Cu-Cu без выступов становится ведущей инновационной технологией. Эта передовая технология обеспечивает постоянные соединения путем объединения диэлектрических материалов (например, SiO2) с внедренными металлами (Cu). Гибридное соединение Cu-Cu может достигать зазоров менее 10 микрон, как правило, в диапазоне однозначных микрон, что представляет собой значительное улучшение по сравнению с традиционной технологией микровыступов, которая имеет зазоры между выступами около 40-50 микрон. Преимущества гибридного соединения включают в себя увеличение ввода-вывода, расширенную полосу пропускания, улучшенную вертикальную укладку 3D, лучшую энергоэффективность и снижение паразитных эффектов и теплового сопротивления из-за отсутствия заполнения дна. Однако эта технология сложна в производстве и имеет более высокую стоимость.
Технологии упаковки 2.5D и 3D охватывают различные методы упаковки. В упаковке 2.5D, в зависимости от выбора материалов промежуточного слоя, ее можно разделить на промежуточные слои на основе кремния, органики и стекла, как показано на рисунке выше. В упаковке 3D развитие технологии микровыпуклостей направлено на уменьшение размеров зазоров, но сегодня, принимая технологию гибридного склеивания (метод прямого соединения Cu-Cu), можно достичь размеров зазоров в одну цифру, что является значительным прогрессом в этой области.
**Основные технологические тенденции, за которыми стоит следить:**
1. **Большие области промежуточных слоев:** IDTechEx ранее предсказывала, что из-за сложности превышения кремниевыми промежуточными слоями предела размера сетки 3x, решения 2.5D кремниевых мостов вскоре заменят кремниевые промежуточные слои в качестве основного выбора для упаковки чипов HPC. TSMC является основным поставщиком 2.5D кремниевых промежуточных слоев для NVIDIA и других ведущих разработчиков HPC, таких как Google и Amazon, и недавно компания объявила о массовом производстве своего первого поколения CoWoS_L с размером сетки 3.5x. IDTechEx ожидает, что эта тенденция сохранится, и дальнейшие достижения будут обсуждаться в ее отчете, охватывающем основных игроков.
2. **Панельная упаковка:** Панельная упаковка стала важным направлением, 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 корпусов. Несмотря на свой потенциал, такие проблемы, как управление короблением, все еще требуют решения. Его растущая значимость отражает растущий спрос на более крупные и более экономичные промежуточные слои.
3. **Стеклянные промежуточные слои:** Стекло становится сильным кандидатом на материал для достижения 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, предлагая потенциал для высокоплотной проводки при более управляемых затратах, что делает его многообещающим решением для будущих технологий упаковки.
4. **HBM Hybrid Bonding:** 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 стекированной SRAM и CPU, а также в серии MI300 для стекирования блоков CPU/GPU на кристаллах ввода-вывода. Ожидается, что гибридное соединение будет играть решающую роль в будущих достижениях HBM, особенно для стеков DRAM, превышающих 16-Hi или 20-Hi слоев.
5. **Компактные оптические устройства (CPO):** С ростом спроса на более высокую пропускную способность данных и энергоэффективность технология оптических соединений привлекла значительное внимание. Компактные оптические устройства (CPO) становятся ключевым решением для повышения пропускной способности ввода-вывода и снижения энергопотребления. По сравнению с традиционной электрической передачей оптическая связь предлагает несколько преимуществ, включая меньшее затухание сигнала на больших расстояниях, сниженную чувствительность к перекрестным помехам и значительно увеличенную пропускную способность. Эти преимущества делают CPO идеальным выбором для энергосберегающих систем HPC с интенсивным использованием данных.
**Ключевые рынки для наблюдения:**
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 размещать больше транзисторов, памяти и соединений в одном корпусе. Декомпозиция чипов также позволяет оптимально использовать узлы процесса между различными функциональными блоками, например, разделяя блоки ввода-вывода от блоков обработки, что еще больше повышает эффективность.
Помимо высокопроизводительных вычислений (HPC), ожидается, что другие рынки также достигнут роста за счет внедрения передовых технологий упаковки. В секторах 5G и 6G такие инновации, как упаковочные антенны и передовые решения на основе чипов, будут определять будущее архитектур беспроводных сетей доступа (RAN). Автономные транспортные средства также выиграют, поскольку эти технологии поддерживают интеграцию наборов датчиков и вычислительных блоков для обработки больших объемов данных, обеспечивая при этом безопасность, надежность, компактность, управление питанием и температурой, а также экономическую эффективность.
Потребительская электроника (включая смартфоны, умные часы, устройства дополненной и виртуальной реальности, ПК и рабочие станции) все больше фокусируется на обработке большего количества данных в меньших пространствах, несмотря на больший акцент на стоимости. Расширенная упаковка полупроводников будет играть ключевую роль в этой тенденции, хотя методы упаковки могут отличаться от тех, которые используются в HPC.
Время публикации: 07-окт-2024