Industrija avtomobilskih čipov doživlja spremembe
Nedavno je ekipa inženirjev polprevodnikov z Michaelom Kellyjem, podpredsednikom za majhne čipe in integracijo FCBGA pri podjetju Amkor, razpravljala o majhnih čipih, hibridnih vezavah in novih materialih. V razpravi so sodelovali tudi raziskovalec ASE William Chen, izvršni direktor podjetja Promex Industries Dick Otte in Sander Roosendaal, direktor raziskav in razvoja pri podjetju Synopsys Photonics Solutions. Spodaj so odlomki iz te razprave.
Razvoj avtomobilskih čipov dolga leta ni imel vodilnega položaja v industriji. Vendar pa se je z vzponom električnih vozil in razvojem naprednih infozabavnih sistemov ta situacija dramatično spremenila. Katere težave ste opazili?
Kelly: Za konkurenčnost na trgu vrhunski ADAS (napredni sistemi za pomoč vozniku) zahtevajo procesorje s 5-nanometrskim ali manjšim postopkom. Ko enkrat vstopite v 5-nanometrski postopek, morate upoštevati stroške rezin, kar vodi k skrbnemu premisleku o rešitvah z majhnimi čipi, saj je s 5-nanometrskim postopkom težko izdelati velike čipe. Poleg tega je izkoristek nizek, kar ima za posledico izjemno visoke stroške. Pri 5-nanometrskih ali naprednejših postopkih stranke običajno razmislijo o izbiri dela 5-nanometrskega čipa namesto o uporabi celotnega čipa, hkrati pa povečajo naložbo v fazo pakiranja. Morda pomislijo: "Ali bi bila to stroškovno učinkovitejša možnost za doseganje zahtevane zmogljivosti na ta način, namesto da bi poskušali vse funkcije opraviti v večjem čipu?" Torej, da, vrhunska avtomobilska podjetja vsekakor posvečajo pozornost tehnologiji majhnih čipov. Vodilna podjetja v industriji to pozorno spremljajo. V primerjavi z računalniškim področjem avtomobilska industrija verjetno zaostaja za 2 do 4 leta pri uporabi tehnologije majhnih čipov, vendar je trend njene uporabe v avtomobilskem sektorju jasen. Avtomobilska industrija ima izjemno visoke zahteve glede zanesljivosti, zato je treba zanesljivost tehnologije majhnih čipov dokazati. Vendar pa je obsežna uporaba tehnologije majhnih čipov v avtomobilski industriji zagotovo na poti.
Chen: Nisem opazil nobenih večjih ovir. Mislim, da gre bolj za to, da se je treba poglobljeno naučiti in razumeti ustrezne zahteve za certificiranje. To sega nazaj na raven meroslovja. Kako izdelujemo pakete, ki izpolnjujejo izjemno stroge avtomobilske standarde? Vendar je gotovo, da se ustrezna tehnologija nenehno razvija.
Glede na številne toplotne težave in kompleksnosti, povezane z veččipnimi komponentami, ali bodo na voljo novi profili stresnih testov ali različne vrste testov? Ali lahko trenutni standardi JEDEC zajemajo takšne integrirane sisteme?
Chen: Menim, da moramo razviti celovitejše diagnostične metode, da bi jasno prepoznali vir napak. Razpravljali smo o združitvi metrologije z diagnostiko in naša odgovornost je, da ugotovimo, kako izdelati robustnejše pakete, uporabiti kakovostnejše materiale in postopke ter jih validirati.
Kelly: Dandanes izvajamo študije primerov s strankami, ki so se nekaj naučile iz testiranja na ravni sistema, zlasti testiranja temperaturnih vplivov pri funkcionalnih testih plošč, kar testiranje JEDEC ne zajema. Testiranje JEDEC je zgolj izotermno testiranje, ki vključuje "dvig, padec in temperaturni prehod temperature". Vendar pa je porazdelitev temperature v dejanskih ohišjih daleč od tiste, ki se dogaja v resničnem svetu. Vedno več strank želi izvesti testiranje na ravni sistema zgodaj, ker razumejo to situacijo, čeprav se je ne zavedajo vsi. Tukaj igra vlogo tudi simulacijska tehnologija. Če je nekdo vešč kombinirane toplotno-mehanske simulacije, postane analiziranje problemov lažje, ker ve, na katere vidike se je treba osredotočiti med testiranjem. Testiranje na ravni sistema in simulacijska tehnologija se dopolnjujeta. Vendar je ta trend še vedno v zgodnji fazi.
Ali je na vozliščih z zrelo tehnologijo treba obravnavati več toplotnih težav kot v preteklosti?
Otte: Da, vendar so v zadnjih nekaj letih težave s koplanarnostjo postale vse bolj izrazite. Na čipu vidimo od 5000 do 10.000 bakrenih stebrov, ki so med seboj oddaljeni med 50 in 127 mikroni. Če natančno preučite ustrezne podatke, boste ugotovili, da je za postavitev teh bakrenih stebrov na podlago ter izvajanje operacij segrevanja, hlajenja in spajkanja s ponovnim nalivanjem potrebno doseči natančnost koplanarnosti približno en del na sto tisoč. Natančnost en del na sto tisoč je kot najti bilko trave v dolžini nogometnega igrišča. Kupili smo nekaj visokozmogljivih orodij Keyence za merjenje ravnosti čipa in podlage. Seveda je naslednje vprašanje, kako nadzorovati ta pojav upogibanja med ciklom spajkanja s ponovnim nalivanjem? To je pereče vprašanje, ki ga je treba obravnavati.
Chen: Spominjam se razprav o Ponte Vecchiu, kjer so zaradi montaže in ne zaradi zmogljivosti uporabili nizkotemperaturno spajkanje.
Glede na to, da imajo vsa bližnja vezja še vedno težave s toploto, kako naj se fotonika vključi v to?
Roosendaal: Termično simulacijo je treba izvesti za vse vidike, potrebna pa je tudi ekstrakcija visokih frekvenc, ker so vhodni signali visokofrekvenčni signali. Zato je treba obravnavati vprašanja, kot sta usklajevanje impedance in ustrezna ozemljitev. V samem čipu ali med čipom "E" in čipom "P" (fotonski čip) lahko pride do znatnih temperaturnih gradientov. Zanima me, ali se moramo podrobneje poglobiti v toplotne lastnosti lepil.
To sproža razprave o veznih materialih, njihovi izbiri in stabilnosti skozi čas. Očitno je, da se je hibridna tehnologija lepljenja uporabljala v resničnem svetu, vendar še ni bila uporabljena za množično proizvodnjo. Kakšno je trenutno stanje te tehnologije?
Kelly: Vse strani v dobavni verigi posvečajo pozornost tehnologiji hibridnega povezovanja. Trenutno to tehnologijo večinoma uporabljajo livarne, vendar tudi podjetja OSAT (Outsourced Semiconductor Assembly and Test) resno preučujejo njene komercialne aplikacije. Klasične bakrene hibridne dielektrične vezi so bile dolgoročno validirane. Če je mogoče nadzorovati čistočo, lahko ta postopek proizvede zelo robustne komponente. Vendar pa ima izjemno visoke zahteve glede čistoče, stroški kapitalske opreme pa so zelo visoki. Zgodnje poskuse uporabe smo doživeli v AMD-jevi liniji izdelkov Ryzen, kjer je večina SRAM-a uporabljala bakreno hibridno vezivno tehnologijo. Vendar nisem videl veliko drugih strank, ki bi uporabljale to tehnologijo. Čeprav je na tehnoloških načrtih mnogih podjetij, se zdi, da bo trajalo še nekaj let, da bodo povezani kompleti opreme izpolnili neodvisne zahteve glede čistoče. Če jo je mogoče uporabiti v tovarniškem okolju z nekoliko nižjo čistočo kot tipična tovarna rezin in če je mogoče doseči nižje stroške, potem bo ta tehnologija morda deležna več pozornosti.
Chen: Glede na mojo statistiko bo na konferenci ECTC 2024 predstavljenih vsaj 37 člankov o hibridnem lepljenju. To je postopek, ki zahteva veliko strokovnega znanja in vključuje veliko finih operacij med sestavljanjem. Zato bo ta tehnologija zagotovo deležna široke uporabe. Nekaj primerov uporabe že obstaja, vendar bo v prihodnosti postala bolj razširjena na različnih področjih.
Ko omenjate "fine operacije", ali mislite na potrebo po znatnih finančnih naložbah?
Chen: Seveda to vključuje čas in strokovno znanje. Izvajanje te operacije zahteva zelo čisto okolje, kar zahteva finančne naložbe. Zahteva tudi sorodno opremo, ki prav tako zahteva financiranje. Torej to ne vključuje le operativnih stroškov, temveč tudi naložbe v objekte.
Kelly: V primerih z razmikom 15 mikronov ali več obstaja veliko zanimanje za uporabo tehnologije povezovanja bakrenih stebrov med rezinami. V idealnem primeru so rezine ploske, velikosti čipov pa niso zelo velike, kar omogoča visokokakovostno reflowiranje za nekatere od teh razmikov. Čeprav to predstavlja nekaj izzivov, je veliko cenejše od uporabe tehnologije hibridnega povezovanja bakra. Če pa je zahtevana natančnost 10 mikronov ali manj, se situacija spremeni. Podjetja, ki uporabljajo tehnologijo zlaganja čipov, bodo dosegla enomestne razmike v mikronih, kot so 4 ali 5 mikronov, in ni druge alternative. Zato se bo ustrezna tehnologija neizogibno razvijala. Vendar se tudi obstoječe tehnologije nenehno izboljšujejo. Zato se zdaj osredotočamo na meje, do katerih se lahko bakreni stebri razširijo, in ali bo ta tehnologija zdržala dovolj dolgo, da bodo stranke odložile vse naložbe v načrtovanje in razvoj "kvalifikacije" v pravo tehnologijo hibridnega povezovanja bakra.
Chen: Ustrezne tehnologije bomo sprejeli le, če bo povpraševanje.
Ali je trenutno veliko novih dosežkov na področju epoksidnih mas za litje?
Kelly: Mase za brizganje so doživele znatne spremembe. Njihov koeficient toplotnega raztezanja (CTE) se je močno zmanjšal, zaradi česar so z vidika tlaka ugodnejše za ustrezne aplikacije.
Otte: Če se vrnemo k naši prejšnji razpravi, koliko polprevodniških čipov se trenutno proizvaja z razmikom 1 ali 2 mikrona?
Kelly: Pomemben delež.
Chen: Verjetno manj kot 1 %.
Otte: Torej tehnologija, o kateri razpravljamo, ni običajna. Ni v fazi raziskav, saj vodilna podjetja to tehnologijo resda uporabljajo, vendar je draga in ima nizke donose.
Kelly: To se uporablja predvsem v visokozmogljivem računalništvu. Dandanes se ne uporablja le v podatkovnih centrih, temveč tudi v vrhunskih osebnih računalnikih in celo v nekaterih ročnih napravah. Čeprav so te naprave relativno majhne, imajo še vedno visoko zmogljivost. Vendar pa v širšem kontekstu procesorjev in CMOS aplikacij njihov delež ostaja relativno majhen. Za običajne proizvajalce čipov ni potrebe po uporabi te tehnologije.
Otte: Zato je presenetljivo, da ta tehnologija vstopa v avtomobilsko industrijo. Avtomobili ne potrebujejo izjemno majhnih čipov. Lahko ostanejo pri 20- ali 40-nanometrskih postopkih, saj so stroški na tranzistor v polprevodnikih pri tem postopku najnižji.
Kelly: Vendar pa so računske zahteve za ADAS ali avtonomno vožnjo enake kot za osebne računalnike z umetno inteligenco ali podobne naprave. Zato mora avtomobilska industrija vlagati v te najsodobnejše tehnologije.
Če je cikel izdelka pet let, ali bi lahko uvedba novih tehnologij podaljšala prednost za nadaljnjih pet let?
Kelly: To je zelo razumna točka. Avtomobilska industrija ima še en vidik. Razmislite o preprostih servo krmilnikih ali relativno preprostih analognih napravah, ki obstajajo že 20 let in so zelo poceni. Uporabljajo majhne čipe. Ljudje v avtomobilski industriji želijo še naprej uporabljati te izdelke. Želijo vlagati le v zelo zmogljive računalniške naprave z majhnimi digitalnimi čipi in jih po možnosti združiti s poceni analognimi čipi, bliskovnim pomnilnikom in RF čipi. Zanje je model z majhnim čipom zelo smiseln, saj lahko ohranijo veliko poceni, stabilnih delov starejše generacije. Teh delov ne želijo spreminjati in jim to ni treba. Nato morajo le dodati vrhunski 5-nanometrski ali 3-nanometrski majhen čip, ki bo izpolnjeval funkcije dela ADAS. Pravzaprav v enem izdelku uporabljajo različne vrste majhnih čipov. Za razliko od področij osebnih računalnikov in računalništva ima avtomobilska industrija bolj raznoliko paleto aplikacij.
Chen: Poleg tega teh čipov ni treba namestiti poleg motorja, zato so okoljski pogoji relativno boljši.
Kelly: Temperatura okolja v avtomobilih je precej visoka. Zato mora avtomobilska industrija, tudi če moč čipa ni posebej visoka, vložiti nekaj sredstev v dobre rešitve za upravljanje temperature in morda celo razmisliti o uporabi indijevih TIM (termičnih vmesnih materialov), ker so okoljski pogoji zelo ostri.
Čas objave: 28. april 2025