Η βιομηχανία τσιπ αυτοκινήτων υφίσταται αλλαγές
Πρόσφατα, η ομάδα μηχανικής ημιαγωγών συζήτησε για μικρά τσιπ, υβριδικούς δεσμούς και νέα υλικά με τον Michael Kelly, Αντιπρόεδρο της Amkor για τα μικρά τσιπ και την ενσωμάτωση FCBGA. Στη συζήτηση συμμετείχαν επίσης ο ερευνητής του ASE, William Chen, ο Διευθύνων Σύμβουλος της Promex Industries, Dick Otte, και ο Sander Roosendaal, Διευθυντής Έρευνας και Ανάπτυξης της Synopsys Photonics Solutions. Παρακάτω παρατίθενται αποσπάσματα από αυτήν τη συζήτηση.
Για πολλά χρόνια, η ανάπτυξη τσιπ αυτοκινήτων δεν κατείχε ηγετική θέση στον κλάδο. Ωστόσο, με την άνοδο των ηλεκτρικών οχημάτων και την ανάπτυξη προηγμένων συστημάτων ενημέρωσης και ψυχαγωγίας, η κατάσταση αυτή έχει αλλάξει δραματικά. Ποια προβλήματα έχετε παρατηρήσει;
Κέλι: Τα συστήματα ADAS (Advanced Driver Assistance Systems - Προηγμένα Συστήματα Υποβοήθησης Οδηγού) υψηλής τεχνολογίας απαιτούν επεξεργαστές με διαδικασία 5 νανομέτρων ή μικρότερη για να είναι ανταγωνιστικά στην αγορά. Μόλις εισέλθετε στη διαδικασία των 5 νανομέτρων, πρέπει να λάβετε υπόψη το κόστος των πλακιδίων, γεγονός που οδηγεί σε προσεκτική εξέταση λύσεων μικρών τσιπ, καθώς είναι δύσκολο να κατασκευαστούν μεγάλα τσιπ με τη διαδικασία των 5 νανομέτρων. Επιπλέον, η απόδοση είναι χαμηλή, με αποτέλεσμα εξαιρετικά υψηλό κόστος. Όταν πρόκειται για διαδικασίες 5 νανομέτρων ή πιο προηγμένες, οι πελάτες συνήθως εξετάζουν το ενδεχόμενο να επιλέξουν ένα μέρος του τσιπ των 5 νανομέτρων αντί να χρησιμοποιήσουν ολόκληρο το τσιπ, αυξάνοντας παράλληλα τις επενδύσεις στο στάδιο της συσκευασίας. Μπορεί να σκεφτούν: "Θα ήταν μια πιο οικονομική επιλογή να επιτευχθεί η απαιτούμενη απόδοση με αυτόν τον τρόπο, αντί να προσπαθούν να ολοκληρώσουν όλες τις λειτουργίες σε ένα μεγαλύτερο τσιπ;" Οπότε, ναι, οι αυτοκινητοβιομηχανίες υψηλής τεχνολογίας σίγουρα δίνουν προσοχή στην τεχνολογία μικρών τσιπ. Οι κορυφαίες εταιρείες του κλάδου παρακολουθούν στενά αυτό. Σε σύγκριση με τον τομέα της πληροφορικής, η αυτοκινητοβιομηχανία είναι πιθανώς 2 έως 4 χρόνια πίσω στην εφαρμογή της τεχνολογίας μικρών τσιπ, αλλά η τάση για την εφαρμογή της στον αυτοκινητοβιομηχανικό τομέα είναι σαφής. Η αυτοκινητοβιομηχανία έχει εξαιρετικά υψηλές απαιτήσεις αξιοπιστίας, επομένως η αξιοπιστία της τεχνολογίας μικρών τσιπ πρέπει να αποδειχθεί. Ωστόσο, η εφαρμογή της τεχνολογίας μικρών τσιπ σε μεγάλη κλίμακα στον τομέα της αυτοκινητοβιομηχανίας είναι σίγουρα καθ' οδόν.
Τσεν: Δεν έχω παρατηρήσει κανένα σημαντικό εμπόδιο. Νομίζω ότι πρόκειται περισσότερο για την ανάγκη να μάθουμε και να κατανοήσουμε σε βάθος τις σχετικές απαιτήσεις πιστοποίησης. Αυτό ανάγεται στο επίπεδο της μετρολογίας. Πώς κατασκευάζουμε συσκευασίες που πληρούν τα εξαιρετικά αυστηρά πρότυπα αυτοκινητοβιομηχανίας; Αλλά είναι βέβαιο ότι η σχετική τεχνολογία εξελίσσεται συνεχώς.
Δεδομένων των πολλών θερμικών ζητημάτων και της πολυπλοκότητας που σχετίζονται με τα εξαρτήματα πολλαπλών μητρών, θα υπάρξουν νέα προφίλ δοκιμών αντοχής ή διαφορετικοί τύποι δοκιμών; Μπορούν τα τρέχοντα πρότυπα JEDEC να καλύψουν τέτοια ολοκληρωμένα συστήματα;
Τσεν: Πιστεύω ότι πρέπει να αναπτύξουμε πιο ολοκληρωμένες διαγνωστικές μεθόδους για να εντοπίσουμε με σαφήνεια την πηγή των βλαβών. Έχουμε συζητήσει τον συνδυασμό της μετρολογίας με τη διαγνωστική και έχουμε την ευθύνη να βρούμε πώς να δημιουργήσουμε πιο ισχυρά πακέτα, να χρησιμοποιήσουμε υλικά και διαδικασίες υψηλότερης ποιότητας και να τα επικυρώσουμε.
Κέλλυ: Στις μέρες μας, διεξάγουμε μελέτες περιπτώσεων με πελάτες που έχουν μάθει κάτι από τις δοκιμές σε επίπεδο συστήματος, ειδικά από τις δοκιμές πρόσκρουσης θερμοκρασίας σε λειτουργικές δοκιμές πλακέτας, οι οποίες δεν καλύπτονται στις δοκιμές JEDEC. Οι δοκιμές JEDEC είναι απλώς ισόθερμες δοκιμές, που περιλαμβάνουν «άνοδο, πτώση και μετάβαση θερμοκρασίας». Ωστόσο, η κατανομή της θερμοκρασίας σε πραγματικές συσκευασίες απέχει πολύ από αυτό που συμβαίνει στον πραγματικό κόσμο. Όλο και περισσότεροι πελάτες θέλουν να διεξάγουν δοκιμές σε επίπεδο συστήματος νωρίς, επειδή κατανοούν αυτήν την κατάσταση, αν και δεν το γνωρίζουν όλοι. Η τεχνολογία προσομοίωσης παίζει επίσης ρόλο εδώ. Εάν κάποιος είναι έμπειρος στην προσομοίωση συνδυασμού θερμομηχανικής, η ανάλυση προβλημάτων γίνεται ευκολότερη επειδή γνωρίζει σε ποιες πτυχές να επικεντρωθεί κατά τη διάρκεια των δοκιμών. Οι δοκιμές σε επίπεδο συστήματος και η τεχνολογία προσομοίωσης αλληλοσυμπληρώνονται. Ωστόσο, αυτή η τάση βρίσκεται ακόμη στα αρχικά της στάδια.
Υπάρχουν περισσότερα θερμικά ζητήματα που πρέπει να αντιμετωπιστούν σε κόμβους ώριμης τεχνολογίας από ό,τι στο παρελθόν;
Otte: Ναι, αλλά τα τελευταία δύο χρόνια, τα ζητήματα συνεπιπεδότητας έχουν γίνει ολοένα και πιο εμφανή. Βλέπουμε 5.000 έως 10.000 χάλκινους πυλώνες σε ένα τσιπ, σε απόσταση μεταξύ 50 μικρών και 127 μικρών. Αν εξετάσετε προσεκτικά τα σχετικά δεδομένα, θα διαπιστώσετε ότι η τοποθέτηση αυτών των χάλκινων πυλώνων στο υπόστρωμα και η εκτέλεση εργασιών θέρμανσης, ψύξης και συγκόλλησης με επανακυκλοφορία απαιτεί την επίτευξη ακρίβειας συνεπιπεδότητας περίπου ένα μέρος στις εκατό χιλιάδες. Ένα μέρος στις εκατό χιλιάδες ακρίβεια είναι σαν να βρίσκετε ένα φύλλο γρασιδιού στο μήκος ενός γηπέδου ποδοσφαίρου. Έχουμε αγοράσει μερικά εργαλεία Keyence υψηλής απόδοσης για να μετρήσουμε την επιπεδότητα του τσιπ και του υποστρώματος. Φυσικά, το ερώτημα που προκύπτει είναι πώς να ελέγξουμε αυτό το φαινόμενο στρέβλωσης κατά τη διάρκεια του κύκλου συγκόλλησης με επανακυκλοφορία; Αυτό είναι ένα πιεστικό ζήτημα που πρέπει να αντιμετωπιστεί.
Τσεν: Θυμάμαι συζητήσεις για την Πόντε Βέκιο, όπου χρησιμοποιούσαν συγκόλληση χαμηλής θερμοκρασίας για λόγους συναρμολόγησης και όχι για λόγους απόδοσης.
Δεδομένου ότι όλα τα κοντινά κυκλώματα εξακολουθούν να αντιμετωπίζουν θερμικά προβλήματα, πώς θα πρέπει να ενσωματωθεί η φωτονική σε αυτό;
Roosendaal: Πρέπει να διεξάγεται θερμική προσομοίωση για όλες τις πτυχές, και η εξαγωγή υψηλής συχνότητας είναι επίσης απαραίτητη επειδή τα εισερχόμενα σήματα είναι σήματα υψηλής συχνότητας. Επομένως, πρέπει να αντιμετωπιστούν ζητήματα όπως η αντιστοίχιση σύνθετης αντίστασης και η σωστή γείωση. Μπορεί να υπάρχουν σημαντικές διαβαθμίσεις θερμοκρασίας, οι οποίες μπορεί να υπάρχουν μέσα στην ίδια τη μήτρα ή μεταξύ αυτού που ονομάζουμε μήτρα "E" (ηλεκτρική μήτρα) και μήτρα "P" (μήτρα φωτονίων). Είμαι περίεργος αν χρειάζεται να εμβαθύνουμε στα θερμικά χαρακτηριστικά των συγκολλητικών ουσιών.
Αυτό εγείρει συζητήσεις σχετικά με τα υλικά συγκόλλησης, την επιλογή τους και τη σταθερότητά τους με την πάροδο του χρόνου. Είναι προφανές ότι η τεχνολογία υβριδικής συγκόλλησης έχει εφαρμοστεί στον πραγματικό κόσμο, αλλά δεν έχει ακόμη χρησιμοποιηθεί για μαζική παραγωγή. Ποια είναι η τρέχουσα κατάσταση αυτής της τεχνολογίας;
Κέλι: Όλα τα μέρη στην αλυσίδα εφοδιασμού δίνουν προσοχή στην τεχνολογία υβριδικής σύνδεσης. Προς το παρόν, αυτή η τεχνολογία καθοδηγείται κυρίως από χυτήρια, αλλά οι εταιρείες OSAT (Outsourced Semiconductor Assembly and Test - Εξωτερική Ανάθεση Ημιαγωγών Συναρμολόγησης και Δοκιμής) μελετούν επίσης σοβαρά τις εμπορικές εφαρμογές της. Τα κλασικά εξαρτήματα σύνδεσης υβριδικού διηλεκτρικού χαλκού έχουν υποβληθεί σε μακροπρόθεσμη επικύρωση. Εάν η καθαριότητα μπορεί να ελεγχθεί, αυτή η διαδικασία μπορεί να παράγει πολύ ανθεκτικά εξαρτήματα. Ωστόσο, έχει εξαιρετικά υψηλές απαιτήσεις καθαριότητας και το κόστος κεφαλαιουχικού εξοπλισμού είναι πολύ υψηλό. Είχαμε πρώιμες προσπάθειες εφαρμογής στη σειρά προϊόντων Ryzen της AMD, όπου το μεγαλύτερο μέρος της SRAM χρησιμοποιούσε τεχνολογία σύνδεσης υβριδικού χαλκού. Ωστόσο, δεν έχω δει πολλούς άλλους πελάτες να εφαρμόζουν αυτήν την τεχνολογία. Παρόλο που βρίσκεται στους τεχνολογικούς χάρτες πολλών εταιρειών, φαίνεται ότι θα χρειαστούν μερικά ακόμη χρόνια για να ανταποκριθούν οι σχετικές σουίτες εξοπλισμού στις ανεξάρτητες απαιτήσεις καθαριότητας. Εάν μπορεί να εφαρμοστεί σε εργοστασιακό περιβάλλον με ελαφρώς χαμηλότερη καθαριότητα από ένα τυπικό εργοστάσιο πλακιδίων και εάν μπορεί να επιτευχθεί χαμηλότερο κόστος, τότε ίσως αυτή η τεχνολογία να λάβει μεγαλύτερη προσοχή.
Τσεν: Σύμφωνα με τα στατιστικά μου, τουλάχιστον 37 εργασίες σχετικά με την υβριδική συγκόλληση θα παρουσιαστούν στο συνέδριο ECTC του 2024. Πρόκειται για μια διαδικασία που απαιτεί πολλή εξειδίκευση και περιλαμβάνει σημαντικό αριθμό λεπτών εργασιών κατά τη συναρμολόγηση. Επομένως, αυτή η τεχνολογία σίγουρα θα βρει ευρεία εφαρμογή. Υπάρχουν ήδη ορισμένες περιπτώσεις εφαρμογής, αλλά στο μέλλον θα γίνει πιο διαδεδομένη σε διάφορους τομείς.
Όταν αναφέρετε «καλές λειτουργίες», εννοείτε την ανάγκη για σημαντικές οικονομικές επενδύσεις;
Τσεν: Φυσικά, περιλαμβάνει χρόνο και εξειδίκευση. Η εκτέλεση αυτής της επιχείρησης απαιτεί ένα πολύ καθαρό περιβάλλον, κάτι που απαιτεί οικονομική επένδυση. Απαιτεί επίσης σχετικό εξοπλισμό, ο οποίος απαιτεί ομοίως χρηματοδότηση. Επομένως, αυτό συνεπάγεται όχι μόνο λειτουργικά έξοδα αλλά και επενδύσεις σε εγκαταστάσεις.
Κέλλυ: Σε περιπτώσεις με απόσταση 15 μικρών ή μεγαλύτερη, υπάρχει σημαντικό ενδιαφέρον για τη χρήση τεχνολογίας σύνδεσης πλακιδίων χαλκού με πλακίδιο. Ιδανικά, τα πλακίδια είναι επίπεδα και τα μεγέθη των τσιπ δεν είναι πολύ μεγάλα, επιτρέποντας την υψηλής ποιότητας αναδιαμόρφωση για ορισμένα από αυτά τα διαστήματα. Ενώ αυτό παρουσιάζει ορισμένες προκλήσεις, είναι πολύ λιγότερο δαπανηρό από τη δέσμευση στην τεχνολογία υβριδικής σύνδεσης χαλκού. Ωστόσο, εάν η απαίτηση ακρίβειας είναι 10 μικρά ή χαμηλότερη, η κατάσταση αλλάζει. Οι εταιρείες που χρησιμοποιούν τεχνολογία στοίβαξης τσιπ θα επιτύχουν μονοψήφιες αποστάσεις μεταξύ μικρών, όπως 4 ή 5 μικρά, και δεν υπάρχει εναλλακτική λύση. Επομένως, η σχετική τεχνολογία αναπόφευκτα θα εξελιχθεί. Ωστόσο, οι υπάρχουσες τεχνολογίες βελτιώνονται συνεχώς. Έτσι, τώρα εστιάζουμε στα όρια στα οποία μπορούν να επεκταθούν οι χάλκινοι πυλώνες και στο εάν αυτή η τεχνολογία θα διαρκέσει αρκετά ώστε οι πελάτες να καθυστερήσουν όλες τις επενδύσεις σχεδιασμού και ανάπτυξης "πιστοποίησης" στην πραγματική τεχνολογία σύνδεσης υβριδικών χαλκού.
Τσεν: Θα υιοθετήσουμε σχετικές τεχνολογίες μόνο όταν υπάρχει ζήτηση.
Υπάρχουν πολλές νέες εξελίξεις στον τομέα των εποξειδικών ενώσεων χύτευσης αυτήν τη στιγμή;
Κέλλυ: Τα χυτά μείγματα έχουν υποστεί σημαντικές αλλαγές. Ο συντελεστής θερμικής διαστολής (CTE) τους έχει μειωθεί σημαντικά, καθιστώντας τα πιο ευνοϊκά για σχετικές εφαρμογές από την άποψη της πίεσης.
Otte: Επιστρέφοντας στην προηγούμενη συζήτησή μας, πόσα τσιπ ημιαγωγών κατασκευάζονται αυτήν τη στιγμή με απόσταση 1 ή 2 μικρών;
Κέλλυ: Ένα σημαντικό ποσοστό.
Τσεν: Πιθανώς λιγότερο από 1%.
Ότε: Άρα η τεχνολογία που συζητάμε δεν είναι η κυρίαρχη. Δεν βρίσκεται στο στάδιο της έρευνας, καθώς κορυφαίες εταιρείες όντως εφαρμόζουν αυτήν την τεχνολογία, αλλά είναι δαπανηρή και έχει χαμηλές αποδόσεις.
Κέλλυ: Αυτό εφαρμόζεται κυρίως σε υπολογιστές υψηλής απόδοσης. Σήμερα, χρησιμοποιείται όχι μόνο σε κέντρα δεδομένων αλλά και σε υπολογιστές υψηλής τεχνολογίας, ακόμη και σε ορισμένες φορητές συσκευές. Αν και αυτές οι συσκευές είναι σχετικά μικρές, εξακολουθούν να έχουν υψηλή απόδοση. Ωστόσο, στο ευρύτερο πλαίσιο των επεξεργαστών και των εφαρμογών CMOS, το ποσοστό του παραμένει σχετικά μικρό. Για τους συνηθισμένους κατασκευαστές τσιπ, δεν υπάρχει ανάγκη υιοθέτησης αυτής της τεχνολογίας.
Ότε: Γι' αυτό είναι εκπληκτικό που βλέπουμε αυτή την τεχνολογία να εισέρχεται στην αυτοκινητοβιομηχανία. Τα αυτοκίνητα δεν χρειάζονται εξαιρετικά μικρά τσιπ. Μπορούν να παραμείνουν σε διαδικασίες των 20 ή 40 νανομέτρων, καθώς το κόστος ανά τρανζίστορ στους ημιαγωγούς είναι το χαμηλότερο σε αυτήν τη διαδικασία.
Κέλι: Ωστόσο, οι υπολογιστικές απαιτήσεις για τα συστήματα ADAS ή την αυτόνομη οδήγηση είναι οι ίδιες με εκείνες για τους υπολογιστές με τεχνητή νοημοσύνη ή παρόμοιες συσκευές. Επομένως, η αυτοκινητοβιομηχανία χρειάζεται να επενδύσει σε αυτές τις τεχνολογίες αιχμής.
Εάν ο κύκλος ζωής του προϊόντος είναι πέντε χρόνια, θα μπορούσε η υιοθέτηση νέων τεχνολογιών να επεκτείνει το πλεονέκτημα για άλλα πέντε χρόνια;
Κέλλυ: Αυτό είναι ένα πολύ λογικό σημείο. Η αυτοκινητοβιομηχανία έχει μια άλλη οπτική γωνία. Σκεφτείτε απλούς σερβοελεγκτές ή σχετικά απλές αναλογικές συσκευές που υπάρχουν εδώ και 20 χρόνια και είναι πολύ χαμηλού κόστους. Χρησιμοποιούν μικρά τσιπ. Οι άνθρωποι στην αυτοκινητοβιομηχανία θέλουν να συνεχίσουν να χρησιμοποιούν αυτά τα προϊόντα. Θέλουν να επενδύσουν μόνο σε υπολογιστικές συσκευές πολύ υψηλής τεχνολογίας με ψηφιακά μικρά τσιπ και ενδεχομένως να τις συνδυάσουν με αναλογικά τσιπ χαμηλού κόστους, μνήμη flash και τσιπ RF. Για αυτούς, το μοντέλο μικρού τσιπ έχει πολύ νόημα επειδή μπορούν να διατηρήσουν πολλά φθηνά, σταθερά, παλαιότερης γενιάς εξαρτήματα. Δεν θέλουν ούτε να αλλάξουν αυτά τα εξαρτήματα ούτε χρειάζεται. Στη συνέχεια, απλώς χρειάζεται να προσθέσουν ένα μικρό τσιπ υψηλής τεχνολογίας 5 νανομέτρων ή 3 νανομέτρων για να εκπληρώσουν τις λειτουργίες του τμήματος ADAS. Στην πραγματικότητα, εφαρμόζουν διάφορους τύπους μικρών τσιπ σε ένα προϊόν. Σε αντίθεση με τους τομείς των υπολογιστών και της πληροφορικής, η αυτοκινητοβιομηχανία έχει ένα πιο ποικίλο φάσμα εφαρμογών.
Τσεν: Επιπλέον, αυτά τα τσιπ δεν χρειάζεται να εγκατασταθούν δίπλα στον κινητήρα, επομένως οι περιβαλλοντικές συνθήκες είναι σχετικά καλύτερες.
Κέλλυ: Η θερμοκρασία περιβάλλοντος στα αυτοκίνητα είναι αρκετά υψηλή. Επομένως, ακόμη και αν η ισχύς του τσιπ δεν είναι ιδιαίτερα υψηλή, η αυτοκινητοβιομηχανία πρέπει να επενδύσει κάποια κεφάλαια σε καλές λύσεις θερμικής διαχείρισης και μπορεί ακόμη και να εξετάσει το ενδεχόμενο χρήσης ινδίου TIM (υλικά θερμικής διεπαφής), επειδή οι περιβαλλοντικές συνθήκες είναι πολύ σκληρές.
Ώρα δημοσίευσης: 28 Απριλίου 2025