Pakiranje poluvodiča evoluiralo je od tradicionalnih 1D PCB dizajna do vrhunskog 3D hibridnog spajanja na razini pločice. Ovaj napredak omogućuje razmak međusobnih veza u rasponu od jedne znamenke mikrona, s propusnošću do 1000 GB/s, uz održavanje visoke energetske učinkovitosti. U središtu naprednih tehnologija pakiranja poluvodiča su 2,5D pakiranje (gdje su komponente postavljene jedna pored druge na međusloju) i 3D pakiranje (što uključuje vertikalno slaganje aktivnih čipova). Ove tehnologije ključne su za budućnost HPC sustava.
2.5D tehnologija pakiranja uključuje različite materijale međuslojeva, svaki sa svojim prednostima i nedostacima. Silicijski (Si) međuslojevi, uključujući potpuno pasivne silicijske pločice i lokalizirane silicijske mostove, poznati su po tome što pružaju najbolje mogućnosti ožičenja, što ih čini idealnim za visokoučinkovito računalstvo. Međutim, skupi su u smislu materijala i proizvodnje te se suočavaju s ograničenjima u području pakiranja. Kako bi se ublažili ovi problemi, sve je veća upotreba lokaliziranih silicijskih mostova, strateški koristeći silicij tamo gdje je fina funkcionalnost ključna, a istovremeno se rješavaju ograničenja područja.
Organski međuslojevi, izrađeni od plastike oblikovane u lepezasto, isplativija su alternativa siliciju. Imaju nižu dielektričnu konstantu, što smanjuje RC kašnjenje u pakiranju. Unatoč tim prednostima, organski međuslojevi teško postižu istu razinu smanjenja međusobnih veza kao pakiranje na bazi silicija, što ograničava njihovu primjenu u visokoučinkovitim računalnim primjenama.
Stakleni međuslojevi privukli su značajan interes, posebno nakon nedavnog Intelovog lansiranja pakiranja za testna vozila na bazi stakla. Staklo nudi nekoliko prednosti, kao što su podesivi koeficijent toplinskog širenja (CTE), visoka dimenzijska stabilnost, glatke i ravne površine te mogućnost podrške proizvodnji panela, što ga čini obećavajućim kandidatom za međuslojeve s mogućnostima ožičenja usporedivim sa silicijem. Međutim, osim tehničkih izazova, glavni nedostatak staklenih međuslojeva je nezreli ekosustav i trenutni nedostatak velikih proizvodnih kapaciteta. Kako ekosustav sazrijeva, a proizvodni kapaciteti se poboljšavaju, tehnologije na bazi stakla u pakiranju poluvodiča mogle bi doživjeti daljnji rast i prihvaćanje.
Što se tiče 3D tehnologije pakiranja, hibridno spajanje Cu-Cu bez izbočina postaje vodeća inovativna tehnologija. Ova napredna tehnika postiže trajne međusobne veze kombiniranjem dielektričnih materijala (poput SiO2) s ugrađenim metalima (Cu). Hibridno spajanje Cu-Cu može postići razmake ispod 10 mikrona, obično u rasponu od jedne znamenke mikrona, što predstavlja značajno poboljšanje u odnosu na tradicionalnu tehnologiju mikro-izbočina, koja ima razmake izbočina od oko 40-50 mikrona. Prednosti hibridnog spajanja uključuju povećani I/O, poboljšanu propusnost, poboljšano 3D vertikalno slaganje, bolju energetsku učinkovitost te smanjene parazitske učinke i toplinsku otpornost zbog odsutnosti donjeg punjenja. Međutim, ova tehnologija je složena za proizvodnju i ima veće troškove.
2.5D i 3D tehnologije pakiranja obuhvaćaju različite tehnike pakiranja. U 2.5D pakiranju, ovisno o izboru materijala međusloja, može se kategorizirati u međuslojeve na bazi silicija, organskih materijala i stakla, kao što je prikazano na gornjoj slici. U 3D pakiranju, razvoj tehnologije mikro-izbočina ima za cilj smanjenje dimenzija razmaka, ali danas, primjenom hibridne tehnologije lijepljenja (metoda izravnog Cu-Cu spajanja), mogu se postići jednoznamenkaste dimenzije razmaka, što označava značajan napredak u tom području.
**Ključni tehnološki trendovi koje treba pratiti:**
1. **Veća područja međuslojeva:** IDTechEx je prethodno predvidio da će zbog poteškoća s prelaskom 3x veličine končanice silicijskih međuslojeva, 2.5D silicijska mostna rješenja uskoro zamijeniti silicijske međuslojeve kao primarni izbor za pakiranje HPC čipova. TSMC je glavni dobavljač 2.5D silicijskih međuslojeva za NVIDIA-u i druge vodeće HPC developere poput Googlea i Amazona, a tvrtka je nedavno najavila masovnu proizvodnju svog CoWoS_L prve generacije s 3,5x veličinom končanice. IDTechEx očekuje da će se ovaj trend nastaviti, a daljnji napredak raspravljat će se u njegovom izvješću koje pokriva glavne igrače.
2. **Pakiranje na razini panela:** Pakiranje na razini panela postalo je značajan fokus, što je istaknuto na Međunarodnoj izložbi poluvodiča u Tajvanu 2024. Ova metoda pakiranja omogućuje korištenje većih međuslojeva i pomaže u smanjenju troškova istovremenom proizvodnjom više paketa. Unatoč svom potencijalu, izazovi poput upravljanja savijanjem još uvijek se moraju riješiti. Njegova sve veća važnost odražava rastuću potražnju za većim, isplativijim međuslojevima.
3. **Stakleni međuslojevi:** Staklo se pojavljuje kao snažan kandidat za materijal za postizanje finog ožičenja, usporedivo sa silicijem, s dodatnim prednostima kao što su podesivi CTE i veća pouzdanost. Stakleni međuslojevi također su kompatibilni s pakiranjem na razini panela, nudeći potencijal za ožičenje visoke gustoće uz pristupačnije troškove, što ga čini obećavajućim rješenjem za buduće tehnologije pakiranja.
4. **HBM hibridno povezivanje:** 3D bakar-bakar (Cu-Cu) hibridno povezivanje ključna je tehnologija za postizanje ultra-finih vertikalnih međusobnih veza između čipova. Ova se tehnologija koristi u raznim vrhunskim poslužiteljskim proizvodima, uključujući AMD EPYC za složene SRAM i CPU-e, kao i seriju MI300 za slaganje CPU/GPU blokova na I/O matrice. Očekuje se da će hibridno povezivanje igrati ključnu ulogu u budućem napretku HBM-a, posebno za DRAM slojeve koji prelaze 16-Hi ili 20-Hi slojeva.
5. **Kopakirani optički uređaji (CPO):** S rastućom potražnjom za većim protokom podataka i energetskom učinkovitošću, tehnologija optičkog međusobnog povezivanja dobila je znatnu pozornost. Kopakirani optički uređaji (CPO) postaju ključno rješenje za poboljšanje propusnosti ulazno/izlaznih veza i smanjenje potrošnje energije. U usporedbi s tradicionalnim električnim prijenosom, optička komunikacija nudi nekoliko prednosti, uključujući niže slabljenje signala na velikim udaljenostima, smanjenu osjetljivost na preslušavanje i značajno povećanu propusnost. Ove prednosti čine CPO idealnim izborom za podatkovno intenzivne i energetski učinkovite HPC sustave.
**Ključna tržišta koja treba pratiti:**
Primarno tržište koje potiče razvoj 2.5D i 3D tehnologija pakiranja nesumnjivo je sektor visokoučinkovitog računalstva (HPC). Ove napredne metode pakiranja ključne su za prevladavanje ograničenja Mooreovog zakona, omogućujući više tranzistora, memorije i međusobnih veza unutar jednog pakiranja. Dekompozicija čipova također omogućuje optimalno korištenje procesnih čvorova između različitih funkcionalnih blokova, kao što je odvajanje I/O blokova od blokova za obradu, što dodatno povećava učinkovitost.
Uz visokoučinkovito računalstvo (HPC), očekuje se da će i druga tržišta ostvariti rast primjenom naprednih tehnologija pakiranja. U sektorima 5G i 6G, inovacije poput pakiranja antena i najsuvremenijih čipovskih rješenja oblikovat će budućnost arhitektura bežičnih pristupnih mreža (RAN). Autonomna vozila također će imati koristi, jer ove tehnologije podržavaju integraciju senzorskih paketa i računalnih jedinica za obradu velikih količina podataka, a istovremeno osiguravaju sigurnost, pouzdanost, kompaktnost, upravljanje energijom i toplinom te isplativost.
Potrošačka elektronika (uključujući pametne telefone, pametne satove, AR/VR uređaje, osobna računala i radne stanice) sve se više fokusira na obradu više podataka u manjim prostorima, unatoč većem naglasku na cijenu. Napredno pakiranje poluvodiča igrat će ključnu ulogu u ovom trendu, iako se metode pakiranja mogu razlikovati od onih koje se koriste u HPC-u.
Vrijeme objave: 07.10.2024.