Pakiranje poluvodiča evoluiralo je od tradicionalnih 1D PCB dizajna do vrhunskog 3D hibridnog povezivanja na razini pločice. Ovaj napredak omogućuje međusobno povezivanje u mikronskom rasponu od jedne znamenke, s propusnostima do 1000 GB/s, uz održavanje visoke energetske učinkovitosti. Srž naprednih tehnologija pakiranja poluvodiča je 2.5D pakiranje (gdje su komponente postavljene jedna uz drugu na međusloju) i 3D pakiranje (koje uključuje okomito slaganje aktivnih čipova). Ove tehnologije su ključne za budućnost HPC sustava.
2.5D tehnologija pakiranja uključuje različite materijale međuslojeva, svaki sa svojim prednostima i nedostacima. Silikonski (Si) posrednički slojevi, uključujući potpuno pasivne silikonske pločice i lokalizirane silikonske mostove, poznati su po pružanju najboljih mogućnosti ožičenja, što ih čini idealnim za računalstvo visokih performansi. Međutim, oni su skupi u smislu materijala i proizvodnje i suočavaju se s ograničenjima u području pakiranja. Kako bi se ublažili ovi problemi, sve je veća upotreba lokaliziranih silicijskih mostova, strateški upotrebljavajući silicij tamo gdje je fina funkcionalnost kritična uz rješavanje ograničenja područja.
Organski međuslojevi, koji koriste lepezasto oblikovanu plastiku, isplativija su alternativa siliciju. Imaju nižu dielektričnu konstantu, što smanjuje RC kašnjenje u paketu. Unatoč ovim prednostima, organski međuslojevi bore se za postizanje iste razine smanjenja značajki međusobnog povezivanja kao kod pakiranja na bazi silicija, ograničavajući njihovu primjenu u računalnim aplikacijama visokih performansi.
Stakleni međuslojevi izazvali su značajno zanimanje, posebno nakon Intelovog nedavnog lansiranja pakiranja testnih vozila na bazi stakla. Staklo nudi nekoliko prednosti, kao što je podesivi koeficijent toplinske ekspanzije (CTE), visoka dimenzionalna stabilnost, glatke i ravne površine i mogućnost podrške proizvodnji panela, što ga čini obećavajućim kandidatom za međuslojeve s mogućnostima ožičenja usporedivim sa silikonom. Međutim, osim tehničkih izazova, glavni nedostatak staklenih međuslojeva je nezreo ekosustav i trenutačni nedostatak velikih proizvodnih kapaciteta. Kako ekosustav sazrijeva i proizvodne mogućnosti se poboljšavaju, tehnologije temeljene na staklu u pakiranju poluvodiča mogle bi doživjeti daljnji rast i usvajanje.
Što se tiče tehnologije 3D pakiranja, Cu-Cu hibridno spajanje bez izbočina postaje vodeća inovativna tehnologija. Ova napredna tehnika postiže trajne međusobne veze kombiniranjem dielektričnih materijala (poput SiO2) s ugrađenim metalima (Cu). Cu-Cu hibridno spajanje može postići razmake ispod 10 mikrona, obično u jednoznamenkastom rasponu mikrona, što predstavlja značajno poboljšanje u odnosu na tradicionalnu mikro-bump tehnologiju, koja ima razmake od oko 40-50 mikrona. Prednosti hibridnog povezivanja uključuju povećanje I/O, poboljšanu propusnost, poboljšano 3D vertikalno slaganje, bolju energetsku učinkovitost i 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, na bazi organskih tvari i na bazi stakla, kao što je prikazano na gornjoj slici. U 3D pakiranju, razvoj tehnologije mikroizbočina ima za cilj smanjiti dimenzije razmaka, ali danas, usvajanjem tehnologije hibridnog lijepljenja (metoda izravne veze Cu-Cu), mogu se postići jednoznamenkaste dimenzije razmaka, što označava značajan napredak u polju .
**Ključni tehnološki trendovi koje treba pratiti:**
1. **Veća područja međuslojeva:** IDTechEx je prethodno predvidio da će zbog poteškoća silicijskih međuslojeva koji prelaze 3x ograničenje veličine končanice, rješenja 2.5D silikonskih mostova uskoro zamijeniti silikonske međuslojeve kao primarni izbor za pakiranje HPC čipova. TSMC je glavni dobavljač 2.5D silicijevih posredničkih slojeva za NVIDIA i druge vodeće HPC programere poput Googlea i Amazona, a tvrtka je nedavno najavila masovnu proizvodnju svoje prve generacije CoWoS_L s 3.5x veličinom končanice. IDTechEx očekuje da će se ovaj trend nastaviti, s daljnjim napretkom koji se raspravlja u njegovom izvješću koje pokriva glavne igrače.
2. **Pakiranje na razini panela:** Pakiranje na razini panela postalo je značajan fokus, kao što je istaknuto na Tajvanskoj međunarodnoj izložbi poluvodiča 2024. Ova metoda pakiranja omogućuje korištenje većih međuslojeva i pomaže smanjiti troškove proizvodnjom više paketa istovremeno. Unatoč njegovom potencijalu, još uvijek se treba pozabaviti izazovima kao što je upravljanje iskrivljenošću. Njegova sve veća istaknutost odražava sve veću potražnju za većim, isplativijim posredničkim slojevima.
3. **Stakleni međuslojevi:** Staklo se pojavljuje kao jak materijal kandidat za postizanje finog ožičenja, usporedivog 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 velike gustoće po prihvatljivijim troškovima, što ga čini obećavajućim rješenjem za buduće tehnologije pakiranja.
4. **HBM hibridno spajanje:** 3D bakar-bakar (Cu-Cu) hibridno spajanje ključna je tehnologija za postizanje vertikalnih međupovezanosti između čipova ultra-finog koraka. Ova tehnologija korištena je u raznim vrhunskim poslužiteljskim proizvodima, uključujući AMD EPYC za složeni SRAM i CPU-ove, 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 skupove koji prelaze 16-Hi ili 20-Hi slojeva.
5. **Kopakirani optički uređaji (CPO):** Uz sve veću potražnju za većom propusnošću podataka i energetskom učinkovitošću, tehnologija optičkog međusobnog povezivanja privukla je značajnu pozornost. Zapakirani optički uređaji (CPO) postaju ključno rješenje za poboljšanje I/O propusnosti i smanjenje potrošnje energije. U usporedbi s tradicionalnim električnim prijenosom, optička komunikacija nudi nekoliko prednosti, uključujući manje slabljenje signala na velikim udaljenostima, smanjenu osjetljivost na preslušavanje i značajno povećanu širinu pojasa. Ove prednosti čine CPO idealnim izborom za podatkovno intenzivne, energetski učinkovite HPC sustave.
**Ključna tržišta za promatranje:**
Primarno tržište koje pokreće razvoj 2.5D i 3D tehnologija pakiranja nedvojbeno je sektor računalstva visokih performansi (HPC). Ove napredne metode pakiranja ključne su za prevladavanje ograničenja Mooreovog zakona, omogućavajući više tranzistora, memorije i međusobnih veza unutar jednog paketa. Razgradnja čipova također omogućuje optimalno korištenje procesnih čvorova između različitih funkcionalnih blokova, kao što je odvajanje I/O blokova od blokova za obradu, dodatno povećavajući učinkovitost.
Uz računalstvo visokih performansi (HPC), očekuje se da će i druga tržišta postići rast usvajanjem naprednih tehnologija pakiranja. U sektorima 5G i 6G, inovacije kao što su antene za pakiranje i vrhunska rješenja čipova će oblikovati budućnost arhitektura bežične pristupne mreže (RAN). Autonomna vozila također će imati koristi jer ove tehnologije podržavaju integraciju paketa senzora i računalnih jedinica za obradu velikih količina podataka uz osiguranje sigurnosti, pouzdanosti, kompaktnosti, upravljanja energijom i toplinom te isplativosti.
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 trošku. Napredno pakiranje poluvodiča imat će ključnu ulogu u ovom trendu, iako se metode pakiranja mogu razlikovati od onih koje se koriste u HPC-u.
Vrijeme objave: 25. listopada 2024