Polprevodniška embalaža se je razvila iz tradicionalnih 1D modelov PCB v vrhunsko 3D hibridno lepljenje na ravni rezin. Ta napredek omogoča razmik med povezavami v enomestnem območju mikronov s pasovnimi širinami do 1000 GB/s, hkrati pa ohranja visoko energetsko učinkovitost. V jedru naprednih tehnologij polprevodniškega pakiranja sta 2,5D pakiranje (kjer so komponente nameščene ena poleg druge na vmesnem sloju) in 3D pakiranje (ki vključuje navpično zlaganje aktivnih čipov). Te tehnologije so ključne za prihodnost sistemov HPC.
Tehnologija pakiranja 2.5D vključuje različne materiale vmesnih plasti, od katerih ima vsak svoje prednosti in slabosti. Silicijeve (Si) vmesne plasti, vključno s popolnoma pasivnimi silicijevimi rezinami in lokaliziranimi silicijevimi mostovi, so znane po zagotavljanju najboljših zmogljivosti ožičenja, zaradi česar so idealne za visoko zmogljivo računalništvo. Vendar pa so dragi v smislu materialov in proizvodnje ter se soočajo z omejitvami na področju pakiranja. Za ublažitev teh težav se povečuje uporaba lokaliziranih silicijevih mostov, ki strateško uporabljajo silicij, kjer je fina funkcionalnost ključnega pomena, hkrati pa obravnava omejitve območja.
Organske vmesne plasti, ki uporabljajo pahljačasto oblikovano plastiko, so stroškovno učinkovitejša alternativa siliciju. Imajo nižjo dielektrično konstanto, kar zmanjša zakasnitev RC v paketu. Kljub tem prednostim se organski vmesni sloji trudijo doseči enako raven zmanjšanja funkcij medsebojnega povezovanja kot embalaža na osnovi silicija, kar omejuje njihovo uporabo v visokozmogljivih računalniških aplikacijah.
Stekleni vmesni sloji so vzbudili veliko zanimanja, zlasti po Intelovi nedavni predstavitvi embalaže testnih vozil na osnovi stekla. Steklo ponuja številne prednosti, kot so nastavljiv koeficient toplotnega raztezanja (CTE), visoka dimenzijska stabilnost, gladke in ravne površine ter zmožnost podpiranja izdelave plošč, zaradi česar je obetaven kandidat za vmesne plasti z zmožnostmi ožičenja, primerljivimi s silicijem. Vendar pa je poleg tehničnih izzivov glavna pomanjkljivost steklenih vmesnih plasti nezrel ekosistem in trenutno pomanjkanje velikih proizvodnih zmogljivosti. Ko ekosistem dozoreva in se proizvodne zmogljivosti izboljšujejo, bodo tehnologije na osnovi stekla v polprevodniški embalaži morda doživele nadaljnjo rast in sprejetje.
Kar zadeva tehnologijo 3D pakiranja, Cu-Cu hibridno lepljenje brez udarcev postaja vodilna inovativna tehnologija. Ta napredna tehnika doseže trajne medsebojne povezave s kombiniranjem dielektričnih materialov (kot je SiO2) z vdelanimi kovinami (Cu). Hibridno lepljenje Cu-Cu lahko doseže razmike pod 10 mikroni, običajno v območju enomestnih mikronov, kar predstavlja znatno izboljšavo v primerjavi s tradicionalno tehnologijo mikro-izboklin, ki ima razmike po izboklinah približno 40-50 mikronov. Prednosti hibridnega povezovanja vključujejo povečan V/I, izboljšano pasovno širino, izboljšano 3D navpično zlaganje, boljšo energetsko učinkovitost ter zmanjšane parazitske učinke in toplotno odpornost zaradi odsotnosti spodnjega polnila. Vendar je ta tehnologija zapletena za izdelavo in ima višje stroške.
Tehnologije 2.5D in 3D pakiranja zajemajo različne tehnike pakiranja. V 2.5D embalaži, odvisno od izbire materialov vmesne plasti, jo lahko kategoriziramo v vmesne plasti na osnovi silicija, organske osnove in stekla, kot je prikazano na zgornji sliki. Pri 3D embalaži je cilj razvoja tehnologije mikro-izboklin zmanjšati dimenzije razmika, danes pa je mogoče s sprejetjem tehnologije hibridnega lepljenja (metoda neposredne povezave Cu-Cu) doseči enomestne dimenzije razmika, kar pomeni pomemben napredek na tem področju. .
**Ključni tehnološki trendi, ki si jih je treba ogledati:**
1. **Večja območja vmesnih plasti:** IDTechEx je predhodno napovedal, da bodo zaradi težav s silicijevimi vmesnimi plastmi, ki presegajo 3-kratno omejitev velikosti namerilnega križa, rešitve 2,5D silicijevega mostu kmalu nadomestile silicijeve vmesne plasti kot primarno izbiro za pakiranje HPC čipov. TSMC je glavni dobavitelj 2,5D silicijevih vmesnih plasti za NVIDIA in druge vodilne razvijalce HPC, kot sta Google in Amazon, in podjetje je nedavno napovedalo masovno proizvodnjo svoje prve generacije CoWoS_L s 3,5-kratno velikostjo namerilnega križa. IDTechEx pričakuje, da se bo ta trend nadaljeval, nadaljnji napredek pa je obravnavan v njegovem poročilu, ki zajema glavne akterje.
2. **Pakiranje na ravni plošče:** Pakiranje na ravni plošče je postalo pomemben poudarek, kot je bilo poudarjeno na tajvanski mednarodni razstavi polprevodnikov leta 2024. Ta metoda pakiranja omogoča uporabo večjih vmesnih plasti in pomaga zmanjšati stroške s proizvodnjo več paketov hkrati. Kljub njegovemu potencialu je treba še vedno obravnavati izzive, kot je upravljanje deformacij. Njegov vse večji pomen odraža vse večje povpraševanje po večjih, stroškovno učinkovitejših vmesnih slojih.
3. **Stekleni vmesni sloji:** Steklo se pojavlja kot močan kandidat za material za doseganje finega ožičenja, primerljivega s silicijem, z dodatnimi prednostmi, kot sta nastavljiv CTE in večja zanesljivost. Stekleni vmesni sloji so združljivi tudi z embalažo na ravni plošče, kar ponuja potencial za ožičenje z visoko gostoto po bolj obvladljivih stroških, zaradi česar je obetavna rešitev za prihodnje tehnologije pakiranja.
4. **HBM Hybrid Bonding:** 3D bakreno-bakreno (Cu-Cu) hibridno lepljenje je ključna tehnologija za doseganje navpičnih medsebojnih povezav med čipi z izjemno finim razmikom. Ta tehnologija je bila uporabljena v različnih vrhunskih strežniških izdelkih, vključno z AMD EPYC za zložen SRAM in CPE-je, kot tudi serijo MI300 za zlaganje blokov CPU/GPU na V/I matrice. Pričakuje se, da bo hibridno povezovanje igralo ključno vlogo pri prihodnjem napredku HBM, zlasti za sklade DRAM, ki presegajo 16-Hi ali 20-Hi plasti.
5. **Skupno zapakirane optične naprave (CPO):** Z naraščajočim povpraševanjem po večji prepustnosti podatkov in energetski učinkovitosti je tehnologija optičnega povezovanja pridobila veliko pozornosti. Skupno zapakirane optične naprave (CPO) postajajo ključna rešitev za izboljšanje V/I pasovne širine in zmanjšanje porabe energije. V primerjavi s tradicionalnim električnim prenosom ponuja optična komunikacija več prednosti, vključno z manjšim slabljenjem signala na dolge razdalje, zmanjšano občutljivostjo na preslušavanje in znatno povečano pasovno širino. Zaradi teh prednosti je CPO idealna izbira za podatkovno intenzivne in energetsko učinkovite sisteme HPC.
**Ključni trgi, ki si jih je treba ogledati:**
Primarni trg, ki spodbuja razvoj 2,5D in 3D tehnologij pakiranja, je nedvomno sektor visokozmogljivega računalništva (HPC). Te napredne metode pakiranja so ključnega pomena za premagovanje omejitev Moorovega zakona, saj omogočajo več tranzistorjev, pomnilnika in medsebojnih povezav v enem paketu. Razgradnja čipov omogoča tudi optimalno uporabo procesnih vozlišč med različnimi funkcionalnimi bloki, kot je ločevanje V/I blokov od procesnih blokov, kar dodatno poveča učinkovitost.
Poleg visokozmogljivega računalništva (HPC) naj bi tudi drugi trgi dosegli rast s sprejetjem naprednih tehnologij pakiranja. V sektorjih 5G in 6G bodo inovacije, kot so embalažne antene in vrhunske rešitve čipov, oblikovale prihodnost arhitektur brezžičnih dostopovnih omrežij (RAN). Avtonomna vozila bodo prav tako imela koristi, saj te tehnologije podpirajo integracijo sklopov senzorjev in računalniških enot za obdelavo velikih količin podatkov, hkrati pa zagotavljajo varnost, zanesljivost, kompaktnost, upravljanje moči in toplote ter stroškovno učinkovitost.
Potrošniška elektronika (vključno s pametnimi telefoni, pametnimi urami, napravami AR/VR, osebnimi računalniki in delovnimi postajami) se vse bolj osredotoča na obdelavo več podatkov v manjših prostorih, kljub večjemu poudarku na stroških. Napredno polprevodniško pakiranje bo imelo ključno vlogo pri tem trendu, čeprav se lahko načini pakiranja razlikujejo od tistih, ki se uporabljajo v HPC.
Čas objave: 25. oktober 2024