Индустрија аутомобилских чипова пролази кроз промене
Недавно је тим за полупроводничке инжењере разговарао о малим чиповима, хибридном везивању и новим материјалима са Мајклом Келијем, потпредседником за мале чипове и FCBGA интеграцију компаније Amkor. У дискусији су учествовали и истраживач ASE-а Вилијам Чен, извршни директор Promex Industries-а Дик Оте и Сандер Розендал, директор истраживања и развоја компаније Synopsys Photonics Solutions. Испод су одломци из ове дискусије.
Дуги низ година, развој аутомобилских чипова није заузимао водећу позицију у индустрији. Међутим, са порастом електричних возила и развојем напредних инфотејнмент система, ова ситуација се драматично променила. Које проблеме сте приметили?
Кели: Врхунски ADAS (Напредни системи помоћи возачу) захтевају процесоре са процесом од 5 нанометара или мањим да би били конкурентни на тржишту. Када уђете у процес од 5 нанометара, морате узети у обзир трошкове плочица, што доводи до пажљивог разматрања решења са малим чиповима, јер је тешко производити велике чипове процесом од 5 нанометара. Поред тога, принос је низак, што резултира изузетно високим трошковима. Када се ради са процесима од 5 нанометара или напреднијим процесима, купци обично разматрају избор дела чипа од 5 нанометара уместо коришћења целог чипа, уз повећање улагања у фазу паковања. Можда би помислили: „Да ли би то била исплативија опција за постизање потребних перформанси на овај начин, уместо покушаја да се све функције заврше у већем чипу?“ Дакле, да, врхунске аутомобилске компаније дефинитивно обраћају пажњу на технологију малих чипова. Водеће компаније у индустрији пажљиво прате ово. У поређењу са рачунарском облашћу, аутомобилска индустрија вероватно касни 2 до 4 године у примени технологије малих чипова, али тренд њене примене у аутомобилском сектору је јасан. Аутомобилска индустрија има изузетно високе захтеве за поузданошћу, тако да се поузданост технологије малих чипова мора доказати. Међутим, велика примена технологије малих чипова у аутомобилској области је свакако на путу.
Чен: Нисам приметио никакве значајне препреке. Мислим да је више у питању потреба за детаљним учењем и разумевањем релевантних захтева за сертификацију. Ово се враћа на ниво метрологије. Како производимо пакете који испуњавају изузетно строге аутомобилске стандарде? Али је сигурно да се релевантна технологија континуирано развија.
С обзиром на бројне термичке проблеме и сложености повезане са вишечипним компонентама, да ли ће бити нових профила тестова оптерећења или различитих врста тестова? Да ли тренутни JEDEC стандарди могу да покрију такве интегрисане системе?
Чен: Верујем да треба да развијемо свеобухватније дијагностичке методе како бисмо јасно идентификовали извор кварова. Разговарали смо о комбиновању метрологије са дијагностиком и имамо одговорност да откријемо како да направимо робусније пакете, користимо материјале и процесе вишег квалитета и валидирамо их.
Кели: Данас спроводимо студије случаја са купцима који су нешто научили из тестирања на нивоу система, посебно тестирања утицаја температуре у функционалним тестовима плоча, што није обухваћено JEDEC тестирањем. JEDEC тестирање је само изотермно тестирање, које укључује „пораст температуре, пад и температурну транзицију“. Међутим, расподела температуре у стварним кућиштима је далеко од онога што се дешава у стварном свету. Све више купаца жели да спроведе тестирање на нивоу система рано јер разумеју ову ситуацију, иако нису сви свесни тога. Технологија симулације такође игра улогу овде. Ако је неко вешт у термичко-механичкој комбинованој симулацији, анализа проблема постаје лакша јер зна на које аспекте треба да се фокусира током тестирања. Тестирање на нивоу система и технологија симулације се међусобно допуњују. Међутим, овај тренд је још увек у раним фазама.
Да ли постоји више термичких проблема које треба решити на чворовима зреле технологије него у прошлости?
Оте: Да, али у последњих неколико година, проблеми компланарности постали су све израженији. Видимо 5.000 до 10.000 бакарних стубова на чипу, размакнутих између 50 микрона и 127 микрона. Ако пажљиво испитате релевантне податке, видећете да постављање ових бакарних стубова на подлогу и извођење операција загревања, хлађења и лемљења рефловом захтева постизање прецизности компланарности од око једног дела према сто хиљада. Прецизност од једног дела према сто хиљада је као проналажење влати траве унутар дужине фудбалског терена. Купили смо неке високоперформансне Keyence алате за мерење равности чипа и подлоге. Наравно, питање које се поставља је како контролисати овај феномен савијања током циклуса лемљења рефловом? Ово је хитно питање које треба решити.
Чен: Сећам се дискусија о Понте Векију, где су користили лемљење на ниским температурама због разматрања монтаже, а не због перформанси.
С обзиром на то да сва кола у близини и даље имају термичке проблеме, како би фотоника требало да се интегрише у ово?
Розендал: Термичка симулација мора бити спроведена за све аспекте, а екстракција високих фреквенција је такође неопходна јер су сигнали који улазе високофреквентни сигнали. Стога је потребно решити питања попут усклађивања импедансе и правилног уземљења. Могу постојати значајни температурни градијенти, који могу постојати унутар самог чипа или између онога што називамо „Е“ чипом (електрични чип) и „П“ чипом (фотонски чип). Занима ме да ли треба дубље да се позабавимо термичким карактеристикама лепкова.
Ово покреће дискусије о материјалима за везивање, њиховом избору и стабилности током времена. Очигледно је да је хибридна технологија везивања примењена у стварном свету, али још увек није коришћена за масовну производњу. Какво је тренутно стање ове технологије?
Кели: Све стране у ланцу снабдевања обраћају пажњу на технологију хибридног везивања. Тренутно, ову технологију углавном воде ливнице, али компаније OSAT (Outsourcing Semiconductor Assembly and Test) такође озбиљно проучавају њене комерцијалне примене. Класичне компоненте бакарног хибридног диелектричног везивања прошле су дугорочну валидацију. Ако се чистоћа може контролисати, овај процес може произвести веома робусне компоненте. Међутим, има изузетно високе захтеве за чистоћом, а трошкови капиталне опреме су веома високи. Доживели смо ране покушаје примене у AMD-овој Ryzen производној линији, где је већина SRAM меморије користила технологију бакарног хибридног везивања. Међутим, нисам видео много других купаца који примењују ову технологију. Иако је на технолошким мапама пута многих компанија, чини се да ће бити потребно још неколико година да повезани пакети опреме испуне независне захтеве за чистоћом. Ако се може применити у фабричком окружењу са нешто нижом чистоћом него у типичној фабрици плочица и ако се могу постићи нижи трошкови, онда ће можда ова технологија добити више пажње.
Чен: Према мојој статистици, на конференцији ECTC 2024. године биће представљено најмање 37 радова о хибридном везивању. Ово је процес који захтева много стручности и укључује значајан број финих операција током склапања. Дакле, ова технологија ће дефинитивно наћи широку примену. Већ постоје неки случајеви примене, али у будућности ће постати све распрострањенија у различитим областима.
Када помињете „фине операције“, да ли мислите на потребу за значајним финансијским улагањима?
Чен: Наравно, то укључује време и стручност. Извођење ове операције захтева веома чисто окружење, што захтева финансијска улагања. Такође је потребна и пратећа опрема, што такође захтева финансирање. Дакле, ово укључује не само оперативне трошкове већ и улагања у објекте.
Кели: У случајевима са размаком од 15 микрона или већим, постоји значајно интересовање за коришћење технологије повезивања бакарних стубова између плочица. Идеално би било да плочице буду равне, а величине чипова нису превише велике, што омогућава висококвалитетно рефловирање за неке од ових размака. Иако ово представља одређене изазове, много је јефтиније него прибегавање технологији хибридног везивања бакра. Међутим, ако је захтев за прецизношћу 10 микрона или мање, ситуација се мења. Компаније које користе технологију слагања чипова постићи ће једноцифрене микронске размаке, као што су 4 или 5 микрона, и нема алтернативе. Стога ће се релевантна технологија неизбежно развијати. Међутим, постојеће технологије се такође континуирано побољшавају. Зато се сада фокусирамо на границе до којих се бакарни стубови могу продужити и да ли ће ова технологија трајати довољно дуго да купци одложе сва улагања у дизајн и „квалификацију“ развоја праве технологије хибридног везивања бакра.
Чен: Усвојићемо релевантне технологије само када постоји потражња.
Да ли тренутно има много нових достигнућа у области епоксидних компаунда за ливење?
Кели: Масе за калуповање су претрпеле значајне промене. Њихов КТР (коефицијент термичког ширења) је знатно смањен, што их чини повољнијим за релевантне примене са становишта притиска.
Оте: Враћајући се на нашу претходну дискусију, колико се полупроводничких чипова тренутно производи са размаком од 1 или 2 микрона?
Кели: Значајан удео.
Чен: Вероватно мање од 1%.
Оте: Дакле, технологија о којој разговарамо није мејнстрим. Није у фази истраживања, јер водеће компаније заиста примењују ову технологију, али је скупа и има ниске приносе.
Кели: Ово се углавном примењује у рачунарству високих перформанси. Данас се користи не само у центрима података, већ и у врхунским рачунарима, па чак и у неким ручним уређајима. Иако су ови уређаји релативно мали, они и даље имају високе перформансе. Међутим, у ширем контексту процесора и CMOS примена, њихов удео остаје релативно мали. За обичне произвођаче чипова, нема потребе да усвајају ову технологију.
Оте: Зато је изненађујуће видети да ова технологија улази у аутомобилску индустрију. Аутомобилима нису потребни чипови да буду изузетно мали. Могу остати на процесима од 20 или 40 нанометара, јер је цена по транзистору код полупроводника најнижа код овог процеса.
Кели: Међутим, рачунарски захтеви за ADAS или аутономну вожњу су исти као и за AI рачунаре или сличне уређаје. Стога, аутомобилска индустрија заиста мора да инвестира у ове најсавременије технологије.
Ако је циклус производа пет година, да ли би усвајање нових технологија могло продужити предност за још пет година?
Кели: То је веома разумна поента. Аутомобилска индустрија има други угао. Размотрите једноставне серво контролере или релативно једноставне аналогне уређаје који постоје већ 20 година и веома су јефтини. Они користе мале чипове. Људи у аутомобилској индустрији желе да наставе да користе ове производе. Желе да инвестирају само у веома врхунске рачунарске уређаје са малим дигиталним чиповима и евентуално да их упаре са јефтиним аналогним чиповима, флеш меморијом и РФ чиповима. За њих, модел малог чипа има много смисла јер могу да задрже многе јефтине, стабилне делове старије генерације. Они нити желе да мењају ове делове нити им је потребно. Затим, само треба да додају врхунски мали чип од 5 нанометара или 3 нанометара да би испунили функције ADAS дела. У ствари, они примењују различите врсте малих чипова у једном производу. За разлику од области рачунара и рачунарства, аутомобилска индустрија има разноврснији спектар примена.
Чен: Штавише, ови чипови не морају бити инсталирани поред мотора, тако да су услови околине релативно бољи.
Кели: Температура околине у аутомобилима је прилично висока. Стога, чак и ако снага чипа није посебно висока, аутомобилска индустрија мора да уложи одређена средства у добра решења за управљање температуром и може чак размотрити употребу индијумских TIM (термичких интерфејс материјала) јер су услови околине веома сурови.
Време објаве: 28. април 2025.