Industrija automobilskih čipova prolazi kroz promjene
Nedavno je tim za poluvodičke inženjere raspravljao o malim čipovima, hibridnom spajanju i novim materijalima s Michaelom Kellyjem, potpredsjednikom odjela za male čipove i integraciju FCBGA u tvrtki Amkor. U raspravi su sudjelovali i istraživač ASE-a William Chen, izvršni direktor Promex Industries Dick Otte i Sander Roosendaal, direktor istraživanja i razvoja tvrtke Synopsys Photonics Solutions. U nastavku su ulomci iz ove rasprave.
Dugi niz godina razvoj automobilskih čipova nije zauzimao vodeću poziciju u industriji. Međutim, s porastom električnih vozila i razvojem naprednih infotainment sustava, ta se situacija dramatično promijenila. Koje ste probleme primijetili?
Kelly: Vrhunski ADAS (Napredni sustavi pomoći vozačima) zahtijevaju procesore s 5-nanometarskim procesom ili manjim kako bi bili konkurentni na tržištu. Nakon što uđete u 5-nanometarski proces, morate uzeti u obzir troškove pločica, što dovodi do pažljivog razmatranja rješenja s malim čipovima, jer je teško proizvoditi velike čipove 5-nanometarskim procesom. Osim toga, prinos je nizak, što rezultira izuzetno visokim troškovima. Kada se radi o 5-nanometarskim ili naprednijim procesima, kupci obično razmatraju odabir dijela 5-nanometarskog čipa umjesto korištenja cijelog čipa, uz povećanje ulaganja u fazu pakiranja. Možda će pomisliti: "Bi li to bila isplativija opcija za postizanje potrebnih performansi na ovaj način, umjesto da se sve funkcije pokušavaju dovršiti u većem čipu?" Dakle, da, vrhunske automobilske tvrtke definitivno obraćaju pozornost na tehnologiju malih čipova. Vodeće tvrtke u industriji pomno prate ovo. U usporedbi s računalnim područjem, automobilska industrija vjerojatno zaostaje 2 do 4 godine u primjeni tehnologije malih čipova, ali trend njezine primjene u automobilskom sektoru je jasan. Automobilska industrija ima izuzetno visoke zahtjeve za pouzdanošću, stoga se pouzdanost tehnologije malih čipova mora dokazati. Međutim, velika primjena tehnologije malih čipova u automobilskoj industriji svakako je na putu.
Chen: Nisam primijetio nikakve značajne prepreke. Mislim da se više radi o potrebi detaljnog učenja i razumijevanja relevantnih zahtjeva za certifikaciju. To se vraća na razinu mjeriteljstva. Kako proizvodimo pakete koji zadovoljavaju izuzetno stroge automobilske standarde? Ali sigurno je da se relevantna tehnologija kontinuirano razvija.
S obzirom na brojne toplinske probleme i složenosti povezane s višečipnim komponentama, hoće li biti novih profila testova opterećenja ili različitih vrsta testova? Mogu li trenutni JEDEC standardi obuhvatiti takve integrirane sustave?
Chen: Vjerujem da moramo razviti sveobuhvatnije dijagnostičke metode kako bismo jasno identificirali izvor kvarova. Razgovarali smo o kombiniranju mjeriteljstva s dijagnostikom i imamo odgovornost shvatiti kako izgraditi robusnije pakete, koristiti kvalitetnije materijale i procese te ih validirati.
Kelly: Danas provodimo studije slučaja s kupcima koji su nešto naučili iz testiranja na razini sustava, posebno testiranja utjecaja temperature u funkcionalnim testovima ploča, što nije obuhvaćeno JEDEC testiranjem. JEDEC testiranje je samo izotermno testiranje, koje uključuje "porast temperature, pad i temperaturni prijelaz". Međutim, raspodjela temperature u stvarnim kućištima daleko je od one koja se događa u stvarnom svijetu. Sve više kupaca želi rano provesti testiranje na razini sustava jer razumiju ovu situaciju, iako nisu svi toga svjesni. Tehnologija simulacije također igra ulogu ovdje. Ako je netko vješt u kombiniranoj simulaciji toplinske i mehaničke energije, analiziranje problema postaje lakše jer zna na koje se aspekte treba usredotočiti tijekom testiranja. Testiranje na razini sustava i tehnologija simulacije međusobno se nadopunjuju. Međutim, ovaj trend je još uvijek u ranoj fazi.
Postoji li više toplinskih problema koje treba riješiti na čvorovima zrele tehnologije nego u prošlosti?
Otte: Da, ali u posljednjih nekoliko godina problemi koplanarnosti postali su sve izraženiji. Vidimo 5000 do 10 000 bakrenih stupova na čipu, razmaknutih između 50 mikrona i 127 mikrona. Ako pažljivo proučite relevantne podatke, otkrit ćete da postavljanje ovih bakrenih stupova na podlogu i izvođenje operacija zagrijavanja, hlađenja i lemljenja reflowom zahtijeva postizanje preciznosti koplanarnosti od otprilike jednog dijela u sto tisuća. Preciznost od jednog dijela u sto tisuća je kao pronalaženje vlati trave unutar duljine nogometnog igrališta. Kupili smo neke visokoučinkovite Keyence alate za mjerenje ravnosti čipa i podloge. Naravno, pitanje koje se postavlja je kako kontrolirati ovaj fenomen savijanja tijekom ciklusa lemljenja reflowom? Ovo je hitno pitanje koje treba riješiti.
Chen: Sjećam se rasprava o Ponte Vecchiu, gdje su koristili niskotemperaturni lem zbog montaže, a ne zbog performansi.
S obzirom na to da svi obližnji sklopovi i dalje imaju termalnih problema, kako bi se fotonika trebala integrirati u ovo?
Roosendaal: Toplinska simulacija mora se provesti za sve aspekte, a ekstrakcija visoke frekvencije je također potrebna jer su ulazni signali visokofrekventni signali. Stoga se moraju riješiti problemi poput usklađivanja impedancije i pravilnog uzemljenja. Mogu postojati značajni temperaturni gradijenti, koji mogu postojati unutar samog čipa ili između onoga što nazivamo "E" čipom (električni čip) i "P" čipom (fotonski čip). Zanima me trebamo li dublje istražiti toplinske karakteristike ljepila.
To pokreće rasprave o materijalima za lijepljenje, njihovom odabiru i stabilnosti tijekom vremena. Očito je da se hibridna tehnologija lijepljenja primjenjuje u stvarnom svijetu, ali još nije korištena za masovnu proizvodnju. Kakvo je trenutno stanje ove tehnologije?
Kelly: Sve strane u lancu opskrbe obraćaju pozornost na tehnologiju hibridnog spajanja. Trenutno ovu tehnologiju uglavnom predvode ljevaonice, ali tvrtke OSAT (Outsourced Semiconductor Assembly and Test) također ozbiljno proučavaju njezine komercijalne primjene. Klasične komponente za hibridno dielektrično spajanje bakra prošle su dugoročnu validaciju. Ako se čistoća može kontrolirati, ovaj proces može proizvesti vrlo robusne komponente. Međutim, ima izuzetno visoke zahtjeve za čistoćom, a troškovi kapitalne opreme su vrlo visoki. Doživjeli smo rane pokušaje primjene u AMD-ovoj liniji proizvoda Ryzen, gdje je većina SRAM-a koristila tehnologiju hibridnog spajanja bakra. Međutim, nisam vidio mnogo drugih kupaca koji primjenjuju ovu tehnologiju. Iako je na tehnološkim planovima mnogih tvrtki, čini se da će trebati još nekoliko godina da povezani paketi opreme ispune neovisne zahtjeve za čistoćom. Ako se može primijeniti u tvorničkom okruženju s nešto nižom čistoćom od tipične tvornice pločica i ako se mogu postići niži troškovi, možda će ova tehnologija dobiti više pažnje.
Chen: Prema mojoj statistici, na konferenciji ECTC 2024. bit će predstavljeno najmanje 37 radova o hibridnom lijepljenju. To je proces koji zahtijeva puno stručnosti i uključuje značajnu količinu finih operacija tijekom montaže. Dakle, ova tehnologija će definitivno vidjeti široku primjenu. Već postoje neki slučajevi primjene, ali u budućnosti će postati sveprisutnija u raznim područjima.
Kada spominjete "fine operacije", mislite li na potrebu za značajnim financijskim ulaganjima?
Chen: Naravno, to uključuje vrijeme i stručnost. Izvođenje ove operacije zahtijeva vrlo čist okoliš, što zahtijeva financijska ulaganja. Također zahtijeva odgovarajuću opremu, što slično zahtijeva financiranje. Dakle, to uključuje ne samo operativne troškove već i ulaganja u objekte.
Kelly: U slučajevima s razmakom od 15 mikrona ili većim, postoji značajan interes za korištenje tehnologije spajanja bakrenih stupova između pločica. Idealno bi bilo da su pločice ravne, a veličine čipova nisu jako velike, što omogućuje visokokvalitetno ponovno slijevanje za neke od ovih razmaka. Iako to predstavlja neke izazove, puno je jeftinije od korištenja tehnologije hibridnog spajanja bakra. Međutim, ako je zahtjev za preciznošću 10 mikrona ili manje, situacija se mijenja. Tvrtke koje koriste tehnologiju slaganja čipova postići će jednoznamenkaste razmake u mikronima, poput 4 ili 5 mikrona, i nema alternative. Stoga će se relevantna tehnologija neizbježno razvijati. Međutim, postojeće tehnologije se također kontinuirano poboljšavaju. Stoga se sada usredotočujemo na granice do kojih se bakreni stupovi mogu protezati i hoće li ova tehnologija trajati dovoljno dugo da kupci odgode sva ulaganja u dizajn i razvoj "kvalifikacije" u pravu tehnologiju hibridnog spajanja bakra.
Chen: Relevantne tehnologije ćemo usvojiti samo kada postoji potražnja.
Ima li trenutno mnogo novih dostignuća u području epoksidnih masa za oblikovanje?
Kelly: Mase za kalupljenje pretrpjele su značajne promjene. Njihov CTE (koeficijent toplinskog širenja) znatno je smanjen, što ih čini povoljnijima za relevantne primjene s gledišta tlaka.
Otte: Vraćajući se na našu prethodnu raspravu, koliko se poluvodičkih čipova trenutno proizvodi s razmakom od 1 ili 2 mikrona?
Kelly: Značajan udio.
Chen: Vjerojatno manje od 1%.
Otte: Dakle, tehnologija o kojoj raspravljamo nije uobičajena. Nije u fazi istraživanja, budući da vodeće tvrtke doista primjenjuju tu tehnologiju, ali je skupa i ima niske prinose.
Kelly: Ovo se uglavnom primjenjuje u visokoučinkovitom računalstvu. Danas se koristi ne samo u podatkovnim centrima, već i u vrhunskim osobnim računalima, pa čak i nekim ručnim uređajima. Iako su ti uređaji relativno mali, i dalje imaju visoke performanse. Međutim, u širem kontekstu procesora i CMOS primjena, njegov udio ostaje relativno malen. Za obične proizvođače čipova nema potrebe za usvajanjem ove tehnologije.
Otte: Zato je iznenađujuće vidjeti da ova tehnologija ulazi u automobilsku industriju. Automobilima nisu potrebni iznimno mali čipovi. Mogu ostati na procesima od 20 ili 40 nanometara, jer je cijena po tranzistoru u poluvodičima najniža u ovom procesu.
Kelly: Međutim, računalni zahtjevi za ADAS ili autonomnu vožnju isti su kao i za AI računala ili slične uređaje. Stoga automobilska industrija mora ulagati u ove vrhunske tehnologije.
Ako je ciklus proizvoda pet godina, može li usvajanje novih tehnologija produžiti prednost za dodatnih pet godina?
Kelly: To je vrlo razumna poanta. Automobilska industrija ima drugu perspektivu. Razmotrite jednostavne servo kontrolere ili relativno jednostavne analogne uređaje koji postoje već 20 godina i vrlo su jeftini. Koriste male čipove. Ljudi u automobilskoj industriji žele nastaviti koristiti ove proizvode. Žele ulagati samo u vrlo vrhunske računalne uređaje s malim digitalnim čipovima i eventualno ih upariti s jeftinim analognim čipovima, flash memorijom i RF čipovima. Za njih model malog čipa ima puno smisla jer mogu zadržati mnoge jeftine, stabilne dijelove starije generacije. Ne žele mijenjati te dijelove niti im je to potrebno. Zatim samo trebaju dodati vrhunski mali čip od 5 nanometara ili 3 nanometara kako bi ispunili funkcije ADAS dijela. Zapravo, primjenjuju različite vrste malih čipova u jednom proizvodu. Za razliku od područja osobnih računala i računalstva, automobilska industrija ima raznolikiji raspon primjena.
Chen: Štoviše, ovi čipovi ne moraju biti instalirani pored motora, pa su uvjeti okoline relativno bolji.
Kelly: Temperatura okoline u automobilima je prilično visoka. Stoga, čak i ako snaga čipa nije osobito visoka, automobilska industrija mora uložiti određena sredstva u dobra rješenja za upravljanje toplinom i možda čak razmotriti korištenje indijevih TIM-ova (materijala za termalni interfejs) jer su uvjeti okoline vrlo teški.
Vrijeme objave: 28. travnja 2025.