Индустрия автомобильных чипов претерпевает изменения
Недавно команда инженеров-полупроводников обсудила малые чипы, гибридное соединение и новые материалы с Майклом Келли, вице-президентом Amkor по малым чипам и интеграции FCBGA. В обсуждении также приняли участие исследователь ASE Уильям Чен, генеральный директор Promex Industries Дик Отте и Сандер Розендал, директор по исследованиям и разработкам Synopsys Photonics Solutions. Ниже приведены выдержки из этого обсуждения.
На протяжении многих лет разработка автомобильных чипов не занимала лидирующие позиции в отрасли. Однако с появлением электромобилей и развитием современных информационно-развлекательных систем эта ситуация кардинально изменилась. Какие проблемы вы заметили?
Келли: Высококлассные системы ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) требуют процессоров с 5-нанометровым процессом или меньше, чтобы быть конкурентоспособными на рынке. Как только вы переходите на 5-нанометровый процесс, вам нужно учитывать стоимость пластины, что приводит к тщательному рассмотрению решений с малыми чипами, поскольку производить большие чипы с 5-нанометровым процессом сложно. Кроме того, выход продукции низкий, что приводит к чрезвычайно высоким затратам. При работе с 5-нанометровыми или более продвинутыми процессами клиенты обычно рассматривают возможность выбора части 5-нанометрового чипа, а не использования всего чипа, увеличивая при этом инвестиции в стадию упаковки. Они могут подумать: «Не будет ли более рентабельным вариантом достичь требуемой производительности таким образом, чем пытаться выполнить все функции в более крупном чипе?» Так что, да, высококлассные автомобильные компании определенно обращают внимание на технологию малых чипов. Ведущие компании в отрасли внимательно следят за этим. По сравнению с областью вычислений, автомобильная промышленность, вероятно, отстает на 2–4 года в применении технологии малых чипов, но тенденция ее применения в автомобильном секторе очевидна. Автомобильная промышленность предъявляет чрезвычайно высокие требования к надежности, поэтому надежность технологии малых чипов должна быть доказана. Однако широкомасштабное применение технологии малых чипов в автомобильной отрасли, безусловно, уже на подходе.
Чен: Я не заметил никаких существенных препятствий. Я думаю, что это больше связано с необходимостью глубокого изучения и понимания соответствующих требований сертификации. Это относится к уровню метрологии. Как мы производим пакеты, которые соответствуют чрезвычайно строгим автомобильным стандартам? Но несомненно, что соответствующая технология постоянно развивается.
Учитывая множество тепловых проблем и сложностей, связанных с многокристальными компонентами, будут ли новые профили стресс-тестов или другие типы тестов? Могут ли текущие стандарты JEDEC охватывать такие интегрированные системы?
Чэнь: Я считаю, что нам нужно разработать более комплексные методы диагностики, чтобы четко определить источник сбоев. Мы обсудили объединение метрологии с диагностикой, и мы обязаны выяснить, как создавать более надежные пакеты, использовать более качественные материалы и процессы и проверять их.
Келли: В настоящее время мы проводим тематические исследования с клиентами, которые узнали что-то из тестирования на уровне системы, особенно тестирования воздействия температуры в функциональных тестах плат, которое не охватывается тестированием JEDEC. Тестирование JEDEC — это просто изотермическое тестирование, включающее «повышение, падение и температурный переход». Однако распределение температуры в реальных корпусах далеко от того, что происходит в реальном мире. Все больше и больше клиентов хотят проводить тестирование на уровне системы заранее, потому что они понимают эту ситуацию, хотя не все об этом знают. Технология моделирования также играет здесь свою роль. Если кто-то имеет навыки в моделировании термомеханической комбинации, анализ проблем становится проще, потому что он знает, на каких аспектах сосредоточиться во время тестирования. Тестирование на уровне системы и технология моделирования дополняют друг друга. Однако эта тенденция все еще находится на ранних стадиях.
Возникает ли больше проблем с температурой, требующих решения в узлах с отработанной технологией, чем раньше?
Отте: Да, но за последние пару лет проблемы копланарности стали все более заметными. Мы видим от 5000 до 10 000 медных столбиков на чипе, расположенных на расстоянии от 50 до 127 микрон друг от друга. Если внимательно изучить соответствующие данные, то вы обнаружите, что размещение этих медных столбиков на подложке и выполнение операций нагрева, охлаждения и пайки оплавлением требует достижения точности копланарности примерно в одну стотысячную часть. Точность в одну стотысячную часть — это как найти травинку на футбольном поле. Мы приобрели несколько высокопроизводительных инструментов Keyence для измерения плоскостности чипа и подложки. Конечно, возникает вопрос, как контролировать это явление деформации во время цикла пайки оплавлением? Это насущная проблема, которую необходимо решить.
Чен: Я помню обсуждения по поводу Понте Веккьо, где низкотемпературный припой использовался из соображений сборки, а не из соображений производительности.
Учитывая, что все близлежащие схемы по-прежнему имеют тепловые проблемы, как в них можно интегрировать фотонику?
Розендал: Тепловое моделирование должно проводиться для всех аспектов, и высокочастотное извлечение также необходимо, поскольку входящие сигналы являются высокочастотными сигналами. Поэтому необходимо решать такие вопросы, как согласование импеданса и надлежащее заземление. Могут быть значительные температурные градиенты, которые могут существовать внутри самой матрицы или между тем, что мы называем матрицей «E» (электрическая матрица) и матрицей «P» (фотонная матрица). Мне интересно, нужно ли нам глубже вникать в тепловые характеристики клеев.
Это вызывает дискуссии о связующих материалах, их выборе и стабильности с течением времени. Очевидно, что гибридная технология склеивания применялась в реальном мире, но пока не использовалась в массовом производстве. Каково текущее состояние этой технологии?
Келли: Все стороны в цепочке поставок обращают внимание на технологию гибридного склеивания. В настоящее время эта технология в основном используется литейными заводами, но компании OSAT (Outsourced Semiconductor Assembly and Test) также серьезно изучают ее коммерческие приложения. Классические компоненты гибридного медного диэлектрического склеивания прошли долгосрочную проверку. Если чистоту можно контролировать, этот процесс может производить очень прочные компоненты. Однако он имеет чрезвычайно высокие требования к чистоте, а капитальные затраты на оборудование очень высоки. Мы испытали первые попытки применения в линейке продуктов AMD Ryzen, где большая часть SRAM использовала технологию гибридного медного склеивания. Однако я не видел, чтобы многие другие клиенты применяли эту технологию. Хотя она есть в технологических планах многих компаний, похоже, что потребуется еще несколько лет, чтобы соответствующие комплекты оборудования соответствовали независимым требованиям чистоты. Если ее можно будет применять в заводских условиях с немного более низкой чистотой, чем типичная фабрика по производству пластин, и если можно будет добиться более низких затрат, то, возможно, эта технология получит больше внимания.
Чэнь: По моей статистике, на конференции ECTC 2024 года будет представлено не менее 37 докладов по гибридному склеиванию. Это процесс, требующий большого опыта и включающий значительное количество тонких операций во время сборки. Так что эта технология определенно найдет широкое применение. Уже есть некоторые примеры применения, но в будущем она станет более распространенной в различных областях.
Когда вы говорите «тонкие операции», имеете ли вы в виду необходимость значительных финансовых вложений?
Чэнь: Конечно, это включает время и экспертизу. Выполнение этой операции требует очень чистой среды, что требует финансовых вложений. Также требуется соответствующее оборудование, которое также требует финансирования. Так что это включает не только эксплуатационные расходы, но и инвестиции в объекты.
Келли: В случаях с зазором 15 микрон или больше существует значительный интерес к использованию технологии медных столбов пластина-к-пластине. В идеале пластины плоские, а размеры чипов не очень большие, что позволяет выполнять высококачественную оплавку для некоторых из этих зазоров. Хотя это и создает некоторые проблемы, это намного менее затратно, чем приверженность технологии гибридного соединения меди. Однако, если требование к точности составляет 10 микрон или ниже, ситуация меняется. Компании, использующие технологию укладки чипов, будут достигать однозначных микронных зазоров, таких как 4 или 5 микрон, и альтернативы нет. Поэтому соответствующая технология неизбежно будет развиваться. Однако существующие технологии также постоянно совершенствуются. Поэтому сейчас мы сосредоточены на пределах, до которых могут расширяться медные столбы, и на том, будет ли эта технология достаточно долгой, чтобы клиенты могли отложить все инвестиции в проектирование и «квалификационные» разработки в настоящей технологии гибридного соединения меди.
Чэнь: Мы будем внедрять соответствующие технологии только тогда, когда на них будет спрос.
Много ли новых разработок появилось в настоящее время в области эпоксидных формовочных компаундов?
Келли: Формовочные компаунды претерпели значительные изменения. Их КТР (коэффициент теплового расширения) значительно снизился, что делает их более подходящими для соответствующих применений с точки зрения давления.
Отте: Возвращаясь к нашему предыдущему обсуждению, сколько полупроводниковых чипов в настоящее время производится с шагом 1 или 2 микрона?
Келли: Значительная часть.
Чэнь: Вероятно, менее 1%.
Отте: Так что обсуждаемая нами технология не является мейнстримом. Она не находится в стадии исследований, поскольку ведущие компании действительно применяют эту технологию, но она дорогостоящая и имеет низкую доходность.
Келли: Это в основном применяется в высокопроизводительных вычислениях. В настоящее время это используется не только в центрах обработки данных, но и в высокопроизводительных ПК и даже в некоторых карманных устройствах. Хотя эти устройства относительно малы, они все равно обладают высокой производительностью. Однако в более широком контексте процессоров и приложений CMOS ее доля остается относительно небольшой. Для обычных производителей чипов нет необходимости внедрять эту технологию.
Отте: Вот почему удивительно видеть, как эта технология входит в автомобильную промышленность. Автомобилям не нужно, чтобы чипы были очень маленькими. Они могут оставаться на 20 или 40 нанометровых процессах, поскольку стоимость транзистора в полупроводниках при этом процессе самая низкая.
Келли: Однако вычислительные требования для ADAS или автономного вождения такие же, как и для ПК с искусственным интеллектом или подобных устройств. Поэтому автомобильной промышленности действительно необходимо инвестировать в эти передовые технологии.
Если жизненный цикл продукта составляет пять лет, может ли внедрение новых технологий продлить преимущество еще на пять лет?
Келли: Это очень разумное замечание. У автомобильной промышленности есть другой угол зрения. Рассмотрим простые сервоконтроллеры или относительно простые аналоговые устройства, которые существуют уже 20 лет и являются очень дешевыми. Они используют небольшие чипы. Люди в автомобильной промышленности хотят продолжать использовать эти продукты. Они хотят инвестировать только в очень высокопроизводительные вычислительные устройства с цифровыми небольшими чипами и, возможно, сочетать их с недорогими аналоговыми чипами, флэш-памятью и радиочастотными чипами. Для них модель с небольшим чипом имеет большой смысл, потому что они могут сохранить много недорогих, стабильных деталей старого поколения. Они не хотят менять эти детали, да и не нуждаются в этом. Затем им просто нужно добавить высокопроизводительный 5-нанометровый или 3-нанометровый небольшой чип для выполнения функций части ADAS. Фактически, они применяют различные типы небольших чипов в одном продукте. В отличие от областей ПК и вычислений, автомобильная промышленность имеет более разнообразный спектр приложений.
Чэнь: Более того, эти чипы не обязательно устанавливать рядом с двигателем, поэтому условия окружающей среды относительно лучше.
Келли: Температура окружающей среды в автомобилях довольно высока. Поэтому, даже если мощность чипа не особенно высока, автомобильная промышленность должна инвестировать некоторые средства в хорошие решения по управлению температурой и может даже рассмотреть возможность использования индиевых TIM (материалов для термоинтерфейса), поскольку условия окружающей среды очень суровые.
Время публикации: 28-04-2025