Η συσκευασία ημιαγωγών έχει εξελιχθεί από τα παραδοσιακά σχέδια 1D PCB σε πρωτοποριακή τρισδιάστατη υβριδική σύνδεση σε επίπεδο πλακιδίων. Αυτή η εξέλιξη επιτρέπει την απόσταση μεταξύ των διασυνδέσεων στην περιοχή των μονοψήφιων μικρών, με εύρος ζώνης έως και 1000 GB/s, διατηρώντας παράλληλα υψηλή ενεργειακή απόδοση. Στον πυρήνα των προηγμένων τεχνολογιών συσκευασίας ημιαγωγών βρίσκονται η συσκευασία 2.5D (όπου τα εξαρτήματα τοποθετούνται το ένα δίπλα στο άλλο σε ένα ενδιάμεσο στρώμα) και η τρισδιάστατη συσκευασία (η οποία περιλαμβάνει την κάθετη στοίβαξη ενεργών τσιπ). Αυτές οι τεχνολογίες είναι κρίσιμες για το μέλλον των συστημάτων HPC.
Η τεχνολογία συσκευασίας 2.5D περιλαμβάνει διάφορα υλικά ενδιάμεσων στρωμάτων, καθένα από τα οποία έχει 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 δαπανηρά όσον αφορά τα υλικά και την κατασκευή και αντιμετωπίζουν περιορισμούς στην περιοχή συσκευασίας. Για τον μετριασμό αυτών των προβλημάτων, η χρήση τοπικών γεφυρών πυριτίου αυξάνεται, χρησιμοποιώντας στρατηγικά πυρίτιο όπου η λεπτή λειτουργικότητα είναι κρίσιμη, ενώ παράλληλα αντιμετωπίζει τους περιορισμούς στην περιοχή.
Τα οργανικά ενδιάμεσα στρώματα, χρησιμοποιώντας χυτευμένα πλαστικά με ανοιγόμενη οπή, αποτελούν μια πιο οικονομική εναλλακτική λύση σε σχέση με το πυρίτιο. Έχουν χαμηλότερη διηλεκτρική σταθερά, η οποία μειώνει την καθυστέρηση RC στη συσκευασία. Παρά τα πλεονεκτήματα αυτά, τα οργανικά ενδιάμεσα στρώματα δυσκολεύονται να επιτύχουν το ίδιο επίπεδο μείωσης των χαρακτηριστικών διασύνδεσης με τη συσκευασία με βάση το πυρίτιο, περιορίζοντας την υιοθέτησή τους σε εφαρμογές υπολογιστών υψηλής απόδοσης.
Τα ενδιάμεσα στρώματα από γυαλί έχουν προσελκύσει σημαντικό ενδιαφέρον, ειδικά μετά την πρόσφατη κυκλοφορία της Intel σε συσκευασίες δοκιμαστικών οχημάτων με βάση το γυαλί. Το γυαλί προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα, όπως ρυθμιζόμενο συντελεστή θερμικής διαστολής (CTE), υψηλή διαστατική σταθερότητα, λείες και επίπεδες επιφάνειες και την ικανότητα υποστήριξης κατασκευής πάνελ, καθιστώντας το έναν 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 από γυαλί είναι το ανώριμο οικοσύστημα και η τρέχουσα έλλειψη παραγωγικής ικανότητας μεγάλης κλίμακας. Καθώς το οικοσύστημα ωριμάζει και οι δυνατότητες παραγωγής βελτιώνονται, οι τεχνολογίες που βασίζονται στο γυαλί στις συσκευασίες ημιαγωγών ενδέχεται να δουν περαιτέρω ανάπτυξη και υιοθέτηση.
Όσον αφορά την τεχνολογία τρισδιάστατης συσκευασίας, η υβριδική σύνδεση Cu-Cu χωρίς εξογκώματα γίνεται μια κορυφαία καινοτόμος τεχνολογία. Αυτή η προηγμένη τεχνική επιτυγχάνει μόνιμες διασυνδέσεις συνδυάζοντας διηλεκτρικά υλικά (όπως SiO2) με ενσωματωμένα μέταλλα (Cu). Η υβριδική σύνδεση Cu-Cu μπορεί να επιτύχει αποστάσεις κάτω των 10 μικρών, συνήθως στην περιοχή των μονοψήφιων μικρών, αντιπροσωπεύοντας μια σημαντική βελτίωση σε σχέση με την παραδοσιακή τεχνολογία μικροεξογκωμάτων, η οποία έχει αποστάσεις εξογκωμάτων περίπου 40-50 μικρών. Τα πλεονεκτήματα της υβριδικής σύνδεσης περιλαμβάνουν αυξημένη είσοδο/έξοδο, βελτιωμένο εύρος ζώνης, βελτιωμένη τρισδιάστατη κάθετη στοίβαξη, καλύτερη ενεργειακή απόδοση και μειωμένες παρασιτικές επιδράσεις και θερμική αντίσταση λόγω της απουσίας πλήρωσης 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 ενδιάμεσων στρωμάτων, μπορεί να κατηγοριοποιηθεί σε ενδιάμεσα στρώματα με βάση το πυρίτιο, οργανικά και γυαλί, όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα. Στη συσκευασία 3D, η ανάπτυξη της τεχνολογίας μικρο-εξογκώματος στοχεύει στη μείωση των διαστάσεων των αποστάσεων, αλλά σήμερα, υιοθετώντας την τεχνολογία υβριδικής σύνδεσης (μια μέθοδος άμεσης σύνδεσης Cu-Cu), μπορούν να επιτευχθούν μονοψήφιες διαστάσεις αποστάσεων, σηματοδοτώντας σημαντική πρόοδο στον τομέα.
**Βασικές τεχνολογικές τάσεις που πρέπει να παρακολουθήσετε:**
1. **Μεγαλύτερες περιοχές ενδιάμεσων στρωμάτων:** Η IDTechEx είχε προβλέψει προηγουμένως ότι, λόγω της δυσκολίας των ενδιάμεσων στρωμάτων πυριτίου να υπερβαίνουν το όριο μεγέθους πλέγματος 3x, οι λύσεις γέφυρας πυριτίου 2.5D θα αντικαταστήσουν σύντομα τα ενδιάμεσα στρώματα πυριτίου ως κύρια επιλογή για τη συσκευασία τσιπ HPC. Η TSMC είναι ένας σημαντικός προμηθευτής ενδιάμεσων στρωμάτων πυριτίου 2.5D για την NVIDIA και άλλους κορυφαίους προγραμματιστές HPC όπως η Google και η Amazon, και η εταιρεία ανακοίνωσε πρόσφατα τη μαζική παραγωγή του CoWoS_L πρώτης γενιάς με μέγεθος πλέγματος 3,5x. Η IDTechEx αναμένει ότι αυτή η τάση θα συνεχιστεί, με περαιτέρω εξελίξεις να συζητούνται στην έκθεσή της που καλύπτει τους σημαντικούς παίκτες.
2. **Συσκευασία σε Επίπεδο Πάνελ:** Η συσκευασία σε επίπεδο πάνελ έχει γίνει ένα σημαντικό επίκεντρο, όπως τονίστηκε στη Διεθνή Έκθεση Ημιαγωγών της Ταϊβάν το 2024. Αυτή η μέθοδος συσκευασίας επιτρέπει τη χρήση μεγαλύτερων ενδιάμεσων στρωμάτων και βοηθά στη μείωση του κόστους παράγοντας περισσότερες συσκευασίες ταυτόχρονα. Παρά τις δυνατότητές της, προκλήσεις όπως η διαχείριση της στρέβλωσης εξακολουθούν να πρέπει να αντιμετωπιστούν. Η αυξανόμενη σημασία της αντανακλά την αυξανόμενη ζήτηση για μεγαλύτερα, πιο οικονομικά αποδοτικά ενδιάμεσα στρώματα.
3. **Ενδιάμεσες στρώσεις γυαλιού:** Το γυαλί αναδεικνύεται ως ένα ισχυρό υποψήφιο υλικό για την επίτευξη λεπτών καλωδιώσεων, συγκρίσιμων με το πυρίτιο, με πρόσθετα πλεονεκτήματα όπως ρυθμιζόμενο CTE και υψηλότερη αξιοπιστία. Οι ενδιάμεσες στρώσεις γυαλιού είναι επίσης συμβατές με συσκευασίες σε επίπεδο πάνελ, προσφέροντας τη δυνατότητα για καλωδίωση υψηλής πυκνότητας με πιο διαχειρίσιμο κόστος, καθιστώντας το μια πολλά υποσχόμενη λύση για μελλοντικές τεχνολογίες συσκευασίας.
4. **Υβριδική σύνδεση HBM:** Η τρισδιάστατη υβριδική σύνδεση χαλκού-χαλκού (Cu-Cu) είναι μια βασική τεχνολογία για την επίτευξη εξαιρετικά λεπτών κάθετων διασυνδέσεων μεταξύ των τσιπ. Αυτή η τεχνολογία έχει χρησιμοποιηθεί σε διάφορα προϊόντα διακομιστών υψηλής τεχνολογίας, συμπεριλαμβανομένου του AMD EPYC για στοιβαγμένες SRAM και CPU, καθώς και της σειράς MI300 για τη στοίβαξη μπλοκ CPU/GPU σε μήτρες εισόδου/εξόδου. Η υβριδική σύνδεση αναμένεται να διαδραματίσει κρίσιμο ρόλο στις μελλοντικές εξελίξεις του HBM, ειδικά για στοίβες DRAM που υπερβαίνουν τα επίπεδα 16-Hi ή 20-Hi.
5. **Συνδυασμένες Οπτικές Συσκευές (CPO):** Με την αυξανόμενη ζήτηση για υψηλότερη απόδοση δεδομένων και ενεργειακή απόδοση, η τεχνολογία οπτικής διασύνδεσης έχει τραβήξει σημαντική προσοχή. Οι συνδυασμένες οπτικές συσκευές (CPO) καθίστανται βασική λύση για την ενίσχυση του εύρους ζώνης εισόδου/εξόδου 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 στην αλληλοπαρεμβολή και σημαντικά αυξημένο εύρος ζώνης. Αυτά τα πλεονεκτήματα καθιστούν το CPO ιδανική επιλογή για συστήματα HPC υψηλής απόδοσης που απαιτούν μεγάλη ποσότητα δεδομένων και είναι ενεργειακά αποδοτικά.
**Βασικές αγορές προς παρακολούθηση:**
Η κύρια αγορά που οδηγεί την ανάπτυξη τεχνολογιών συσκευασίας 2.5D και 3D είναι αναμφίβολα ο τομέας των υπολογιστών υψηλής απόδοσης (HPC). Αυτές οι προηγμένες μέθοδοι συσκευασίας είναι κρίσιμες για την υπέρβαση των περιορισμών του Νόμου του Moore, επιτρέποντας περισσότερα τρανζίστορ, μνήμη και διασυνδέσεις σε ένα ενιαίο πακέτο. Η αποσύνθεση των τσιπ επιτρέπει επίσης τη βέλτιστη αξιοποίηση των κόμβων διεργασίας μεταξύ διαφορετικών λειτουργικών μπλοκ, όπως ο διαχωρισμός των μπλοκ εισόδου/εξόδου από τα μπλοκ επεξεργασίας, ενισχύοντας περαιτέρω την αποδοτικότητα.
Εκτός από την υπολογιστική υψηλής απόδοσης (HPC), αναμένεται επίσης ότι και άλλες αγορές θα επιτύχουν ανάπτυξη μέσω της υιοθέτησης προηγμένων τεχνολογιών συσκευασίας. Στους τομείς 5G και 6G, καινοτομίες όπως οι κεραίες συσκευασίας και οι λύσεις τσιπ αιχμής 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 μονάδων υπολογιστών για την επεξεργασία μεγάλων ποσοτήτων δεδομένων, διασφαλίζοντας παράλληλα την ασφάλεια, την αξιοπιστία, το συμπαγές μέγεθος, τη διαχείριση ισχύος και θερμότητας, καθώς και την οικονομική αποδοτικότητα.
Τα ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης (συμπεριλαμβανομένων των smartphone, των smartwatch, των συσκευών AR/VR, των υπολογιστών και των σταθμών εργασίας) επικεντρώνονται ολοένα και περισσότερο στην επεξεργασία περισσότερων δεδομένων σε μικρότερους χώρους, παρά τη μεγαλύτερη έμφαση στο κόστος. Η προηγμένη συσκευασία ημιαγωγών θα διαδραματίσει βασικό ρόλο σε αυτήν την τάση, αν και οι μέθοδοι συσκευασίας ενδέχεται να διαφέρουν από αυτές που χρησιμοποιούνται στην HPC.
Ώρα δημοσίευσης: 07 Οκτωβρίου 2024