Η συσκευασία ημιαγωγών έχει εξελιχθεί από τα παραδοσιακά σχέδια 1D PCB σε υβριδική συγκόλληση 3D αιχμής σε επίπεδο γκοφρέτας. Αυτή η εξέλιξη επιτρέπει την απόσταση διασύνδεσης στην περιοχή μονοψήφιων micron, με εύρη ζώνης έως και 1000 GB/s, διατηρώντας παράλληλα υψηλή ενεργειακή απόδοση. Στον πυρήνα των προηγμένων τεχνολογιών συσκευασίας ημιαγωγών είναι η συσκευασία 2,5D (όπου τα εξαρτήματα τοποθετούνται δίπλα-δίπλα σε ένα ενδιάμεσο στρώμα) και η 3D συσκευασία (η οποία περιλαμβάνει κάθετη στοίβαξη ενεργών τσιπ). Αυτές οι τεχνολογίες είναι ζωτικής σημασίας για το μέλλον των συστημάτων HPC.
Η τεχνολογία συσκευασίας 2.5D περιλαμβάνει διάφορα υλικά ενδιάμεσης στρώσης, το καθένα με τα δικά του πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Τα ενδιάμεσα στρώματα πυριτίου (Si), συμπεριλαμβανομένων των πλήρως παθητικών πλακιδίων πυριτίου και των τοπικών γεφυρών πυριτίου, είναι γνωστά για την παροχή των καλύτερων δυνατοτήτων καλωδίωσης, καθιστώντας τα ιδανικά για υπολογιστές υψηλής απόδοσης. Ωστόσο, είναι δαπανηρές όσον αφορά τα υλικά και την κατασκευή και αντιμετωπίζουν περιορισμούς στον τομέα της συσκευασίας. Για να μετριαστούν αυτά τα ζητήματα, η χρήση τοπικών γεφυρών πυριτίου αυξάνεται, χρησιμοποιώντας στρατηγικά πυρίτιο όπου η λεπτή λειτουργικότητα είναι κρίσιμη ενώ αντιμετωπίζονται οι περιορισμοί περιοχής.
Τα οργανικά ενδιάμεσα στρώματα, που χρησιμοποιούν χυτευμένα πλαστικά με ανεμιστήρα, είναι μια πιο οικονομική εναλλακτική λύση στο πυρίτιο. Έχουν χαμηλότερη διηλεκτρική σταθερά, η οποία μειώνει την καθυστέρηση RC στη συσκευασία. Παρά αυτά τα πλεονεκτήματα, τα οργανικά ενδιάμεσα στρώματα αγωνίζονται να επιτύχουν το ίδιο επίπεδο μείωσης των χαρακτηριστικών διασύνδεσης με τις συσκευασίες με βάση το πυρίτιο, περιορίζοντας την υιοθέτησή τους σε εφαρμογές υπολογιστών υψηλής απόδοσης.
Τα ενδιάμεσα στρώματα γυαλιού έχουν συγκεντρώσει σημαντικό ενδιαφέρον, ειδικά μετά την πρόσφατη κυκλοφορία της συσκευασίας οχημάτων δοκιμής με βάση το γυαλί από την Intel. Το γυαλί προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα, όπως ρυθμιζόμενο συντελεστή θερμικής διαστολής (CTE), υψηλή σταθερότητα διαστάσεων, λείες και επίπεδες επιφάνειες και την ικανότητα υποστήριξης της κατασκευής πάνελ, καθιστώντας το ένα πολλά υποσχόμενο υποψήφιο για ενδιάμεσα στρώματα με δυνατότητες καλωδίωσης συγκρίσιμες με το πυρίτιο. Ωστόσο, εκτός από τις τεχνικές προκλήσεις, το κύριο μειονέκτημα των ενδιάμεσων στρωμάτων γυαλιού είναι το ανώριμο οικοσύστημα και η τρέχουσα έλλειψη ικανότητας παραγωγής μεγάλης κλίμακας. Καθώς το οικοσύστημα ωριμάζει και βελτιώνονται οι παραγωγικές δυνατότητες, οι τεχνολογίες με βάση το γυαλί σε συσκευασίες ημιαγωγών ενδέχεται να δουν περαιτέρω ανάπτυξη και υιοθέτηση.
Όσον αφορά την τεχνολογία 3D συσκευασίας, η υβριδική συγκόλληση χωρίς χτυπήματα Cu-Cu γίνεται κορυφαία καινοτόμος τεχνολογία. Αυτή η προηγμένη τεχνική επιτυγχάνει μόνιμες διασυνδέσεις συνδυάζοντας διηλεκτρικά υλικά (όπως το SiO2) με ενσωματωμένα μέταλλα (Cu). Η υβριδική συγκόλληση Cu-Cu μπορεί να επιτύχει αποστάσεις κάτω των 10 micron, συνήθως στο μονοψήφιο εύρος micron, αντιπροσωπεύοντας σημαντική βελτίωση σε σχέση με την παραδοσιακή τεχνολογία micro-bump, η οποία έχει αποστάσεις προσκρούσεων περίπου 40-50 micron. Τα πλεονεκτήματα της υβριδικής σύνδεσης περιλαμβάνουν αυξημένη I/O, ενισχυμένο εύρος ζώνης, βελτιωμένη 3D κατακόρυφη στοίβαξη, καλύτερη απόδοση ισχύος και μειωμένες παρασιτικές επιδράσεις και θερμική αντίσταση λόγω της απουσίας πλήρωσης του πυθμένα. Ωστόσο, αυτή η τεχνολογία είναι πολύπλοκη στην κατασκευή και έχει υψηλότερο κόστος.
Οι τεχνολογίες συσκευασίας 2.5D και 3D περιλαμβάνουν διάφορες τεχνικές συσκευασίας. Στη συσκευασία 2,5D, ανάλογα με την επιλογή των υλικών ενδιάμεσης στρώσης, μπορεί να κατηγοριοποιηθεί σε ενδιάμεσες στρώσεις με βάση το πυρίτιο, οργανική βάση και γυαλί, όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα. Στη συσκευασία 3D, η ανάπτυξη της τεχνολογίας micro-bump στοχεύει στη μείωση των διαστάσεων των αποστάσεων, αλλά σήμερα, με την υιοθέτηση της τεχνολογίας υβριδικής συγκόλλησης (μέθοδος άμεσης σύνδεσης Cu-Cu), μπορούν να επιτευχθούν μονοψήφιες διαστάσεις απόστασης, σημειώνοντας σημαντική πρόοδο στον τομέα .
**Βασικές τεχνολογικές τάσεις που πρέπει να παρακολουθήσετε:**
1. **Μεγαλύτερες περιοχές ενδιάμεσων επιπέδων:** Η IDTechEx προέβλεψε προηγουμένως ότι λόγω της δυσκολίας των ενδιάμεσων στρωμάτων πυριτίου να υπερβαίνουν το όριο μεγέθους 3x, οι λύσεις γέφυρας πυριτίου 2,5D θα αντικαταστήσουν σύντομα τις ενδιάμεσες στρώσεις πυριτίου ως την κύρια επιλογή για τη συσκευασία τσιπ HPC. Η TSMC είναι ένας σημαντικός προμηθευτής ενδιάμεσων στρωμάτων πυριτίου 2,5D για τη NVIDIA και άλλους κορυφαίους προγραμματιστές HPC, όπως η Google και η Amazon, και η εταιρεία ανακοίνωσε πρόσφατα τη μαζική παραγωγή της πρώτης γενιάς CoWoS_L με μέγεθος πλέγματος 3,5x. Η IDTechEx αναμένει ότι αυτή η τάση θα συνεχιστεί, με περαιτέρω προόδους να συζητούνται στην έκθεσή της που καλύπτει σημαντικούς παίκτες.
2. **Συσκευασία σε επίπεδο πάνελ:** Η συσκευασία σε επίπεδο πάνελ έχει γίνει σημαντική εστίαση, όπως τονίστηκε στη Διεθνή Έκθεση Ημιαγωγών της Ταϊβάν το 2024. Αυτή η μέθοδος συσκευασίας επιτρέπει τη χρήση μεγαλύτερων ενδιάμεσων στρωμάτων και συμβάλλει στη μείωση του κόστους με την παραγωγή περισσότερων συσκευασιών ταυτόχρονα. Παρά τις δυνατότητές του, προκλήσεις όπως η διαχείριση των στραβοπατιών πρέπει ακόμη να αντιμετωπιστούν. Η αυξανόμενη προβολή του αντανακλά την αυξανόμενη ζήτηση για μεγαλύτερα, πιο οικονομικά αποδοτικά ενδιάμεσα στρώματα.
3. **Ενδιάμεσα στρώματα γυαλιού:** Το γυαλί αναδεικνύεται ως ισχυρό υποψήφιο υλικό για την επίτευξη λεπτής καλωδίωσης, συγκρίσιμο με το πυρίτιο, με πρόσθετα πλεονεκτήματα όπως ρυθμιζόμενο CTE και υψηλότερη αξιοπιστία. Τα ενδιάμεσα στρώματα γυαλιού είναι επίσης συμβατά με τη συσκευασία σε επίπεδο πάνελ, προσφέροντας τη δυνατότητα για καλωδίωση υψηλής πυκνότητας με πιο διαχειρίσιμο κόστος, καθιστώντας τα μια πολλά υποσχόμενη λύση για μελλοντικές τεχνολογίες συσκευασίας.
4. **HBM Hybrid Bonding:** Η 3D υβριδική συγκόλληση χαλκού-χαλκού (Cu-Cu) είναι μια βασική τεχνολογία για την επίτευξη κατακόρυφων διασυνδέσεων εξαιρετικά λεπτού βήματος μεταξύ των τσιπ. Αυτή η τεχνολογία έχει χρησιμοποιηθεί σε διάφορα προϊόντα διακομιστών προηγμένης τεχνολογίας, συμπεριλαμβανομένου του AMD EPYC για στοιβαγμένα SRAM και CPU, καθώς και στη σειρά MI300 για τη στοίβαξη μπλοκ CPU/GPU σε μήτρες I/O. Η υβριδική συγκόλληση αναμένεται να διαδραματίσει κρίσιμο ρόλο στις μελλοντικές εξελίξεις HBM, ειδικά για στοίβες DRAM που υπερβαίνουν τα επίπεδα 16-Hi ή 20-Hi.
5. **Co-Packaged Optical Devices (CPO):** Με την αυξανόμενη ζήτηση για υψηλότερη απόδοση δεδομένων και απόδοση ισχύος, η τεχνολογία οπτικής διασύνδεσης έχει κερδίσει μεγάλη προσοχή. Οι Co-packaged Optical Devices (CPO) γίνονται βασική λύση για τη βελτίωση του εύρους ζώνης I/O και τη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας. Σε σύγκριση με την παραδοσιακή ηλεκτρική μετάδοση, η οπτική επικοινωνία προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα, όπως χαμηλότερη εξασθένηση σήματος σε μεγάλες αποστάσεις, μειωμένη ευαισθησία συνομιλίας και σημαντικά αυξημένο εύρος ζώνης. Αυτά τα πλεονεκτήματα καθιστούν το CPO ιδανική επιλογή για συστήματα HPC υψηλής έντασης δεδομένων και ενεργειακής απόδοσης.
**Βασικές αγορές που πρέπει να παρακολουθήσετε:**
Η πρωτογενής αγορά που οδηγεί την ανάπτυξη των τεχνολογιών συσκευασίας 2.5D και 3D είναι αναμφίβολα ο τομέας των υπολογιστών υψηλής απόδοσης (HPC). Αυτές οι προηγμένες μέθοδοι συσκευασίας είναι ζωτικής σημασίας για την υπέρβαση των περιορισμών του νόμου του Moore, επιτρέποντας περισσότερα τρανζίστορ, μνήμη και διασυνδέσεις σε ένα μόνο πακέτο. Η αποσύνθεση των τσιπ επιτρέπει επίσης τη βέλτιστη χρήση των κόμβων διεργασίας μεταξύ διαφορετικών λειτουργικών μπλοκ, όπως ο διαχωρισμός των μπλοκ I/O από τα μπλοκ επεξεργασίας, βελτιώνοντας περαιτέρω την απόδοση.
Εκτός από τους υπολογιστές υψηλής απόδοσης (HPC), άλλες αγορές αναμένεται επίσης να επιτύχουν ανάπτυξη μέσω της υιοθέτησης προηγμένων τεχνολογιών συσκευασίας. Στους τομείς 5G και 6G, καινοτομίες όπως οι κεραίες συσκευασίας και οι λύσεις αιχμής σε τσιπ θα διαμορφώσουν το μέλλον των αρχιτεκτονικών δικτύων ασύρματης πρόσβασης (RAN). Τα αυτόνομα οχήματα θα ωφεληθούν επίσης, καθώς αυτές οι τεχνολογίες υποστηρίζουν την ενσωμάτωση σειρών αισθητήρων και υπολογιστικών μονάδων για την επεξεργασία μεγάλων ποσοτήτων δεδομένων διασφαλίζοντας παράλληλα ασφάλεια, αξιοπιστία, συμπαγή, διαχείριση ισχύος και θερμότητας και οικονομική απόδοση.
Τα ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης (συμπεριλαμβανομένων των smartphone, των smartwatches, των συσκευών AR/VR, των υπολογιστών και των σταθμών εργασίας) επικεντρώνονται όλο και περισσότερο στην επεξεργασία περισσότερων δεδομένων σε μικρότερους χώρους, παρά τη μεγαλύτερη έμφαση στο κόστος. Η προηγμένη συσκευασία ημιαγωγών θα διαδραματίσει βασικό ρόλο σε αυτή την τάση, αν και οι μέθοδοι συσκευασίας μπορεί να διαφέρουν από αυτές που χρησιμοποιούνται στο HPC.
Ώρα δημοσίευσης: Οκτ-25-2024