Halvledarförpackningar har utvecklats från traditionella 1D PCB-designer till banbrytande 3D-hybridbindning på wafernivå. Detta framsteg tillåter sammankopplingsavstånd i det ensiffriga mikronområdet, med bandbredder på upp till 1000 GB/s, samtidigt som hög energieffektivitet bibehålls. Kärnan i avancerade halvledarförpackningsteknologier är 2,5D-förpackning (där komponenterna placeras sida vid sida på ett mellanliggande lager) och 3D-förpackning (som involverar vertikal stapling av aktiva chips). Dessa teknologier är avgörande för HPC-systemens framtid.
2.5D-förpackningsteknik involverar olika mellanskiktsmaterial, vart och ett med sina egna fördelar och nackdelar. Mellanskikt av kisel (Si), inklusive helt passiva kiselskivor och lokaliserade kiselbryggor, är kända för att tillhandahålla de finaste kabeldragningsmöjligheterna, vilket gör dem idealiska för högpresterande beräkningar. De är dock dyra när det gäller material och tillverkning och möter begränsningar i förpackningsområdet. För att mildra dessa problem ökar användningen av lokaliserade kiselbryggor, strategiskt använder kisel där fin funktionalitet är avgörande samtidigt som man tar itu med områdesbegränsningar.
Organiska mellanskikt, med fan-out gjuten plast, är ett mer kostnadseffektivt alternativ till kisel. De har en lägre dielektricitetskonstant, vilket minskar RC-fördröjningen i paketet. Trots dessa fördelar kämpar organiska mellanskikt för att uppnå samma nivå av minskning av sammankopplingsfunktioner som kiselbaserade förpackningar, vilket begränsar deras användning i högpresterande datortillämpningar.
Mellanskikt av glas har väckt stort intresse, särskilt efter Intels senaste lansering av glasbaserade testfordonsförpackningar. Glas erbjuder flera fördelar, såsom justerbar värmeutvidgningskoefficient (CTE), hög dimensionell stabilitet, släta och plana ytor och förmågan att stödja paneltillverkning, vilket gör det till en lovande kandidat för mellanskikt med kabeldragningskapacitet jämförbar med kisel. Men bortsett från tekniska utmaningar är den största nackdelen med glasmellanskikt det omogna ekosystemet och den nuvarande bristen på storskalig produktionskapacitet. När ekosystemet mognar och produktionskapaciteten förbättras, kan glasbaserad teknik i halvledarförpackningar se ytterligare tillväxt och adoption.
När det gäller 3D-förpackningsteknik, håller Cu-Cu bumpfri hybridbindning på att bli en ledande innovativ teknik. Denna avancerade teknik uppnår permanenta sammankopplingar genom att kombinera dielektriska material (som SiO2) med inbäddade metaller (Cu). Cu-Cu hybridbindning kan uppnå avstånd under 10 mikron, vanligtvis i det ensiffriga mikronintervallet, vilket representerar en betydande förbättring jämfört med traditionell mikrobumpteknologi, som har bumpavstånd på cirka 40-50 mikron. Fördelarna med hybridbindning inkluderar ökad I/O, förbättrad bandbredd, förbättrad 3D vertikal stapling, bättre energieffektivitet och minskade parasiteffekter och termiskt motstånd på grund av frånvaron av bottenfyllning. Denna teknik är dock komplex att tillverka och har högre kostnader.
2.5D- och 3D-förpackningstekniker omfattar olika förpackningstekniker. I 2.5D-förpackningar, beroende på valet av mellanskiktsmaterial, kan det kategoriseras i kiselbaserade, organiskt baserade och glasbaserade mellanskikt, som visas i figuren ovan. Inom 3D-förpackning syftar utvecklingen av mikrobump-teknologi till att minska avståndsdimensionerna, men idag, genom att använda hybridbindningsteknik (en direkt Cu-Cu-kopplingsmetod), kan ensiffriga distansdimensioner uppnås, vilket markerar betydande framsteg på området .
**Teknologiska nyckeltrender att titta på:**
1. **Större intermediära skiktområden:** IDTechEx förutspådde tidigare att på grund av svårigheten att kiselmellanskikt överskrider en gräns för 3x riktmedelsstorlek, skulle 2,5D-kiselbrygglösningar snart ersätta kiselmellanskikt som det primära valet för förpackning av HPC-chips. TSMC är en stor leverantör av 2.5D-kiselmellanlager för NVIDIA och andra ledande HPC-utvecklare som Google och Amazon, och företaget tillkännagav nyligen massproduktion av sin första generationens CoWoS_L med en 3,5x maskstorlek. IDTechEx förväntar sig att denna trend kommer att fortsätta, med ytterligare framsteg som diskuteras i sin rapport som täcker stora aktörer.
2. **Förpackning på panelnivå:** Förpackning på panelnivå har blivit ett stort fokus, vilket framhölls på Taiwan International Semiconductor Exhibition 2024. Denna förpackningsmetod möjliggör användning av större mellanlager och hjälper till att minska kostnaderna genom att producera fler förpackningar samtidigt. Trots dess potential måste utmaningar som hantering av varpsidor fortfarande åtgärdas. Dess ökande framträdande plats återspeglar den växande efterfrågan på större, mer kostnadseffektiva mellanliggande lager.
3. **Glas mellanskikt:** Glas framträder som ett starkt kandidatmaterial för att uppnå fina ledningar, jämförbara med kisel, med ytterligare fördelar som justerbar CTE och högre tillförlitlighet. Mellanskikt av glas är också kompatibla med förpackningar på panelnivå, vilket erbjuder potential för kabeldragning med hög densitet till mer hanterbara kostnader, vilket gör det till en lovande lösning för framtida förpackningsteknologier.
4. **HBM Hybrid Bonding:** 3D koppar-koppar (Cu-Cu) hybridbindning är en nyckelteknologi för att uppnå vertikala sammankopplingar med ultrafin delning mellan chips. Den här tekniken har använts i olika avancerade serverprodukter, inklusive AMD EPYC för staplade SRAM och processorer, samt MI300-serien för stapling av CPU/GPU-block på I/O-matriser. Hybridbindning förväntas spela en avgörande roll i framtida HBM-framsteg, särskilt för DRAM-stackar som överstiger 16-Hi eller 20-Hi-lager.
5. **Co-Packaged Optical Devices (CPO):** Med den växande efterfrågan på högre datagenomströmning och energieffektivitet har optisk sammankopplingsteknik fått stor uppmärksamhet. Co-packaged optical devices (CPO) håller på att bli en nyckellösning för att förbättra I/O-bandbredden och minska energiförbrukningen. Jämfört med traditionell elektrisk överföring erbjuder optisk kommunikation flera fördelar, inklusive lägre signaldämpning över långa avstånd, minskad överhörningskänslighet och avsevärt ökad bandbredd. Dessa fördelar gör CPO till ett idealiskt val för dataintensiva, energieffektiva HPC-system.
**Nyckelmarknader att titta på:**
Den primära marknaden som driver utvecklingen av 2,5D- och 3D-förpackningstekniker är utan tvekan sektorn för högpresterande datorer (HPC). Dessa avancerade paketeringsmetoder är avgörande för att övervinna begränsningarna i Moores lag, vilket möjliggör fler transistorer, minne och sammankopplingar inom ett enda paket. Nedbrytningen av chips möjliggör också optimalt utnyttjande av processnoder mellan olika funktionsblock, såsom att separera I/O-block från bearbetningsblock, vilket ytterligare förbättrar effektiviteten.
Förutom high-performance computing (HPC) förväntas även andra marknader uppnå tillväxt genom införandet av avancerad förpackningsteknik. Inom 5G- och 6G-sektorerna kommer innovationer som förpackningsantenner och banbrytande chiplösningar att forma framtiden för arkitekturer för trådlösa accessnätverk (RAN). Autonoma fordon kommer också att gynnas, eftersom dessa teknologier stödjer integrationen av sensorsviter och datorenheter för att bearbeta stora mängder data samtidigt som säkerhet, tillförlitlighet, kompakthet, effekt- och värmehantering samt kostnadseffektivitet garanteras.
Konsumentelektronik (inklusive smartphones, smartklockor, AR/VR-enheter, datorer och arbetsstationer) fokuserar alltmer på att bearbeta mer data i mindre utrymmen, trots en större betoning på kostnad. Avancerade halvledarförpackningar kommer att spela en nyckelroll i denna trend, även om förpackningsmetoderna kan skilja sig från de som används i HPC.
Posttid: 2024-okt-25