Паковање полупроводника је еволуирало од традиционалних 1Д дизајна штампаних плоча (PCB) до најсавременијег 3Д хибридног повезивања на нивоу плочице (wafer). Овај напредак омогућава размак између међусобних веза у опсегу од једног микрона, са пропусним опсегом до 1000 GB/s, уз одржавање високе енергетске ефикасности. У сржи напредних технологија паковања полупроводника су 2.5Д паковање (где су компоненте постављене једна поред друге на међуслоју) и 3Д паковање (што укључује вертикално слагање активних чипова). Ове технологије су кључне за будућност HPC система.
Технологија 2.5Д паковања укључује различите материјале за међуслојеве, сваки са својим предностима и манама. Силицијумски (Si) међуслојеви, укључујући потпуно пасивне силицијумске плочице и локализоване силицијумске мостове, познати су по томе што пружају најбоље могућности ожичења, што их чини идеалним за рачунарство високих перформанси. Међутим, скупи су у погледу материјала и производње и суочавају се са ограничењима у области паковања. Да би се ублажили ови проблеми, употреба локализованих силицијумских мостова је у порасту, стратешки користећи силицијум тамо где је фина функционалност критична, а истовремено се бави ограничењима површине.
Органски посреднички слојеви, који користе лепезасто обликоване пластике, представљају исплативију алтернативу силицијуму. Имају нижу диелектричну константу, што смањује RC кашњење у кућишту. Упркос овим предностима, органски посреднички слојеви се тешко сналазе у постизању истог нивоа смањења међусобних веза као кућиште на бази силицијума, што ограничава њихову примену у апликацијама за рачунарство високих перформанси.
Стаклени посредни слојеви су изазвали значајно интересовање, посебно након што је Интел недавно лансирао паковање за тест возила на бази стакла. Стакло нуди неколико предности, као што су подесиви коефицијент термичког ширења (CTE), висока димензионална стабилност, глатке и равне површине и могућност подршке производњи панела, што га чини обећавајућим кандидатом за посредничке слојеве са могућностима ожичења упоредивим са силицијумом. Међутим, поред техничких изазова, главни недостатак стаклених посредничких слојева је незрео екосистем и тренутни недостатак производних капацитета великих размера. Како екосистем сазрева и производни капацитети се побољшавају, технологије на бази стакла у паковању полупроводника могу доживети даљи раст и усвајање.
Што се тиче 3Д технологије паковања, Cu-Cu хибридно везивање без избочина постаје водећа иновативна технологија. Ова напредна техника постиже трајне међусобне везе комбиновањем диелектричних материјала (као што је SiO2) са уграђеним металима (Cu). Cu-Cu хибридно везивање може постићи размаке испод 10 микрона, обично у опсегу једноцифрених микрона, што представља значајно побољшање у односу на традиционалну технологију микро-избочина, која има размаке између избочина од око 40-50 микрона. Предности хибридног везивања укључују повећан I/O, побољшани пропусни опсег, побољшано 3Д вертикално слагање, бољу енергетску ефикасност и смањене паразитске ефекте и термичку отпорност због одсуства доњег пуњења. Међутим, ова технологија је сложена за производњу и има веће трошкове.
Технологије 2.5Д и 3Д паковања обухватају различите технике паковања. Код 2.5Д паковања, у зависности од избора материјала међуслоја, оно се може категорисати на међуслојеве на бази силицијума, органских материјала и слојева на бази стакла, као што је приказано на горњој слици. Код 3Д паковања, развој технологије микро-избочина има за циљ смањење димензија размака, али данас, усвајањем технологије хибридног везивања (метод директног Cu-Cu повезивања), могу се постићи једноцифрене димензије размака, што означава значајан напредак у овој области.
**Кључни технолошки трендови које треба пратити:**
1. **Веће површине међуслојева:** IDTechEx је раније предвидео да ће, због тешкоће да силицијумски међуслојеви пређу ограничење величине кончанице од 3 пута, решења са 2,5Д силицијумским мостовима ускоро заменити силицијумске међуслојеве као примарни избор за паковање HPC чипова. TSMC је главни добављач 2,5Д силицијумских међуслојева за NVIDIA и друге водеће HPC програмере попут Google-а и Amazon-а, а компанија је недавно најавила масовну производњу свог CoWoS_L прве генерације са 3,5 пута већом величином кончанице. IDTechEx очекује да ће се овај тренд наставити, а даљи напредак ће бити разматран у њиховом извештају који покрива главне играче.
2. **Паковање на нивоу панела:** Паковање на нивоу панела постало је значајан фокус, као што је истакнуто на Међународној изложби полупроводника на Тајвану 2024. године. Овај метод паковања омогућава употребу већих међуслојева и помаже у смањењу трошкова истовременом производњом више паковања. Упркос свом потенцијалу, изазови попут управљања искривљењем и даље треба да се реше. Његов све већи значај одражава растућу потражњу за већим, исплативијим међуслојевима.
3. **Стаклени међуслојеви:** Стакло се појављује као снажан кандидат за постизање финог ожичења, упоредиво са силицијумом, са додатним предностима као што су подесиви коефицијент термотерминалне топлоте (CTE) и већа поузданост. Стаклени међуслојеви су такође компатибилни са паковањем на нивоу панела, нудећи потенцијал за ожичење високе густине уз приступачније трошкове, што га чини обећавајућим решењем за будуће технологије паковања.
4. **HBM хибридно повезивање**:** 3D бакар-бакар (Cu-Cu) хибридно повезивање је кључна технологија за постизање ултра-финих вертикалних међусобних веза између чипова. Ова технологија је коришћена у разним врхунским серверским производима, укључујући AMD EPYC за сложене SRAM и CPU меморије, као и серију MI300 за слагање CPU/GPU блокова на I/O матрицама. Очекује се да ће хибридно повезивање играти кључну улогу у будућим HBM напредцима, посебно за DRAM стекове који прелазе 16-Hi или 20-Hi слојева.
5. **Ко-паковани оптички уређаји (CPO):** Са растућом потражњом за већим протоком података и енергетском ефикасношћу, технологија оптичког међусобног повезивања добила је значајну пажњу. Ко-паковани оптички уређаји (CPO) постају кључно решење за побољшање пропусног опсега улазно/излазних веза и смањење потрошње енергије. У поређењу са традиционалним електричним преносом, оптичка комуникација нуди неколико предности, укључујући мање слабљење сигнала на великим удаљеностима, смањену осетљивост на преслушавање и значајно повећан пропусни опсег. Ове предности чине CPO идеалним избором за HPC системе који интензивно користе податке и енергетски ефикасно раде.
**Кључна тржишта која треба пратити:**
Примарно тржиште које покреће развој 2.5Д и 3Д технологија паковања је несумњиво сектор рачунарства високих перформанси (HPC). Ове напредне методе паковања су кључне за превазилажење ограничења Муровог закона, омогућавајући више транзистора, меморије и међусобних веза унутар једног паковања. Декомпозиција чипова такође омогућава оптимално коришћење процесних чворова између различитих функционалних блокова, као што је одвајање И/О блокова од блокова за обраду, што додатно повећава ефикасност.
Поред високоперформансног рачунарства (HPC), очекује се да ће и друга тржишта остварити раст кроз усвајање напредних технологија паковања. У секторима 5G и 6G, иновације попут антена за паковање и најсавременијих чиповских решења обликоваће будућност архитектура бежичних приступних мрежа (RAN). Аутономна возила ће такође имати користи, јер ове технологије подржавају интеграцију сензорских пакета и рачунарских јединица за обраду великих количина података, уз обезбеђивање безбедности, поузданости, компактности, управљања напајањем и температуром, као и исплативости.
Потрошачка електроника (укључујући паметне телефоне, паметне сатове, AR/VR уређаје, рачунаре и радне станице) све се више фокусира на обраду више података у мањим просторима, упркос већем нагласку на трошкове. Напредно паковање полупроводника играће кључну улогу у овом тренду, иако се методе паковања могу разликовати од оних које се користе у високопроизводној рачунарској индустрији (HPC).
Време објаве: 07. окт. 2024.