Pakiranje polprevodnikov se je razvilo od tradicionalnih 1D zasnov tiskanih vezij do najsodobnejšega 3D hibridnega povezovanja na ravni rezin. Ta napredek omogoča razmik med povezavami v območju enomestnih mikronov, s pasovno širino do 1000 GB/s, hkrati pa ohranja visoko energetsko učinkovitost. V središču naprednih tehnologij pakiranja polprevodnikov sta 2,5D pakiranje (kjer so komponente nameščene druga ob drugi na vmesni plasti) in 3D pakiranje (ki vključuje navpično zlaganje aktivnih čipov). Ti tehnologiji sta ključni za prihodnost sistemov HPC.
Tehnologija 2,5D pakiranja 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 tem, da zagotavljajo najboljše možnosti ožičenja, zaradi česar so idealne za visokozmogljivo računalništvo. Vendar so drage glede materialov in izdelave ter se soočajo z omejitvami pri površini pakiranja. Da bi ublažili te težave, se povečuje uporaba lokaliziranih silicijevih mostov, pri čemer se silicij strateško uporablja tam, kjer je natančna funkcionalnost ključnega pomena, hkrati pa se obravnavajo omejitve površine.
Organske vmesne plasti, izdelane iz pahljačasto oblikovane plastike, so stroškovno učinkovitejša alternativa siliciju. Imajo nižjo dielektrično konstanto, kar zmanjša RC zakasnitev v ohišju. Kljub tem prednostim se organske vmesne plasti težko kosajo z zmanjšanjem medsebojnih povezav kot ohišje na osnovi silicija, kar omejuje njihovo uporabo v visokozmogljivih računalniških aplikacijah.
Vmesni sloji iz stekla so vzbudili veliko zanimanja, zlasti po Intelovi nedavni predstavitvi ohišja za testna vozila na osnovi stekla. Steklo ponuja številne prednosti, kot so nastavljiv koeficient toplotnega raztezanja (CTE), visoka dimenzijska stabilnost, gladke in ravne površine ter sposobnost podpore pri izdelavi plošč, zaradi česar je obetaven kandidat za vmesne sloje z zmogljivostmi ožičenja, primerljivimi s silicijem. Vendar pa je poleg tehničnih izzivov glavna pomanjkljivost vmesnih slojev iz stekla nezrel ekosistem in trenutno pomanjkanje proizvodnih zmogljivosti v velikem obsegu. Z dozorevanjem ekosistema in izboljšanjem proizvodnih zmogljivosti se lahko tehnologije na osnovi stekla v ohišju polprevodnikov še naprej razvijajo in uporabljajo.
Kar zadeva tehnologijo 3D-pakiranja, hibridno vezanje Cu-Cu brez izboklin postaja vodilna inovativna tehnologija. Ta napredna tehnika dosega trajne medsebojne povezave z združevanjem dielektričnih materialov (kot je SiO2) z vgrajenimi kovinami (Cu). Hibridno vezanje Cu-Cu lahko doseže razmike pod 10 mikronov, običajno v območju enomestnih mikronov, kar predstavlja znatno izboljšanje v primerjavi s tradicionalno tehnologijo mikro-izboklin, ki ima razmike med izboklinami približno 40–50 mikronov. Prednosti hibridnega vezanja vključujejo povečan V/I, povečano pasovno širino, izboljšano 3D-navpično zlaganje, boljšo energetsko učinkovitost ter zmanjšane parazitske učinke in toplotno odpornost zaradi odsotnosti spodnjega polnila. Vendar pa je ta tehnologija zapletena za izdelavo in ima višje stroške.
Tehnologije 2,5D in 3D pakiranja zajemajo različne tehnike pakiranja. Pri 2,5D pakiranju se lahko glede na izbiro materialov vmesnih plasti razdelijo na vmesne plasti na osnovi silicija, organskih materialov in steklenih materialov, kot je prikazano na zgornji sliki. Pri 3D pakiranju si razvoj tehnologije mikro-izboklin prizadeva zmanjšati dimenzije razmika, danes pa je z uporabo tehnologije hibridnega lepljenja (metoda neposredne povezave Cu-Cu) mogoče doseči enomestne dimenzije razmika, kar pomeni pomemben napredek na tem področju.
**Ključni tehnološki trendi, ki jih je treba spremljati:**
1. **Večja območja vmesnih plasti:** IDTechEx je predhodno napovedal, da bodo zaradi težav pri preseganju 3-kratne omejitve velikosti mrežice silicijeve vmesne plasti 2,5D silicijeve mostičke kmalu nadomestile silicijeve vmesne plasti kot glavno izbiro za pakiranje čipov HPC. TSMC je glavni dobavitelj 2,5D silicijevih vmesnih plasti za NVIDIA in druge vodilne razvijalce HPC, kot sta Google in Amazon, podjetje pa je pred kratkim napovedalo množično proizvodnjo svojega prve generacije CoWoS_L s 3,5-kratno velikostjo mrežice. IDTechEx pričakuje, da se bo ta trend nadaljeval, nadaljnji napredek pa je obravnavan v njihovem poročilu, ki zajema glavne akterje.
2. **Pakiranje na ravni plošče:** Pakiranje na ravni plošče je postalo pomemben poudarek, kot je bilo poudarjeno na mednarodni razstavi polprevodnikov na Tajvanu leta 2024. Ta metoda pakiranja omogoča uporabo večjih vmesnih plasti in pomaga zmanjšati stroške z istočasno izdelavo več ohišij. Kljub svojemu potencialu je treba še vedno obravnavati izzive, kot je upravljanje zvijanja. Njegova vse večja pomembnost odraža naraščajoče povpraševanje po večjih in stroškovno učinkovitejših vmesnih plasteh.
3. **Vmesne plasti iz stekla:** Steklo se pojavlja kot močan kandidat za material za doseganje finega ožičenja, primerljivo s silicijem, z dodatnimi prednostmi, kot sta nastavljiv CTE in večja zanesljivost. Vmesne plasti iz stekla so združljive tudi s pakiranjem na ravni plošč, kar ponuja potencial za visoko gostoto ožičenja po bolj obvladljivih stroških, zaradi česar je obetavna rešitev za prihodnje tehnologije pakiranja.
4. **Hibridno vezanje HBM:** 3D hibridno vezanje baker-baker (Cu-Cu) je ključna tehnologija za doseganje ultra finih vertikalnih medsebojnih povezav med čipi. Ta tehnologija se uporablja v različnih vrhunskih strežniških izdelkih, vključno z AMD EPYC za zložene SRAM-e in CPU-je, pa tudi v seriji MI300 za zlaganje blokov CPU/GPU na V/I matrice. Pričakuje se, da bo hibridno vezanje igralo ključno vlogo pri prihodnjem napredku HBM, zlasti za sklade DRAM-a, ki presegajo 16-Hi ali 20-Hi plasti.
5. **Sopakirane optične naprave (CPO):** Zaradi naraščajočega povpraševanja po večji prepustnosti podatkov in energetski učinkovitosti je tehnologija optičnih medsebojnih povezav deležna precejšnje pozornosti. Sopakirane optične naprave (CPO) postajajo ključna rešitev za izboljšanje pasovne širine V/I in zmanjšanje porabe energije. V primerjavi s tradicionalnim električnim prenosom optična komunikacija ponuja več prednosti, vključno z manjšim slabljenjem signala na dolge razdalje, zmanjšano občutljivostjo na presluh in znatno povečano pasovno širino. Zaradi teh prednosti je CPO idealna izbira za podatkovno intenzivne in energetsko učinkovite visokozmogljive sisteme.
**Ključni trgi, ki jih je treba spremljati:**
Primarni trg, ki spodbuja razvoj tehnologij 2,5D in 3D pakiranja, je nedvomno sektor visokozmogljivega računalništva (HPC). Te napredne metode pakiranja so ključne za premagovanje omejitev Moorovega zakona, saj omogočajo več tranzistorjev, pomnilnika in medsebojnih povezav v enem samem ohišju. Razgradnja čipov omogoča tudi optimalno izrabo procesnih vozlišč med različnimi funkcionalnimi bloki, kot je ločevanje V/I blokov od procesnih blokov, kar dodatno povečuje učinkovitost.
Poleg visokozmogljivega računalništva (HPC) se pričakuje, da bodo tudi drugi trgi dosegli rast z uvajanjem naprednih tehnologij pakiranja. V sektorjih 5G in 6G bodo inovacije, kot so pakiranje anten in najsodobnejše rešitve čipov, oblikovale prihodnost arhitektur brezžičnih dostopovnih omrežij (RAN). Koristi bodo imela tudi avtonomna vozila, saj te tehnologije podpirajo integracijo senzorskih sklopov in računalniških enot za obdelavo velikih količin podatkov, hkrati pa zagotavljajo varnost, zanesljivost, kompaktnost, upravljanje porabe energije 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 v tem trendu igralo ključno vlogo, čeprav se metode pakiranja lahko razlikujejo od tistih, ki se uporabljajo v visokozmogljivem računalništvu (HPC).
Čas objave: 7. oktober 2024