Halvledarkapsling har utvecklats från traditionella 1D-kretskortsdesigner till banbrytande 3D-hybridbindning på wafernivå. Denna utveckling möjliggör sammankopplingsavstånd i intervallet ensiffriga mikrometer, med bandbredder på upp till 1000 GB/s, samtidigt som hög energieffektivitet bibehålls. Kärnan i avancerade halvledarkapslingstekniker är 2,5D-kapsling (där komponenter placeras sida vid sida på ett mellanlager) och 3D-kapsling (vilket innebär vertikal stapling av aktiva chip). Dessa tekniker är avgörande för framtiden för HPC-system.
2.5D-kapslingsteknik involverar olika mellanliggande lagermaterial, alla med sina egna fördelar och nackdelar. Mellanlager av kisel (Si), inklusive helt passiva kiselskivor och lokaliserade kiselbryggor, är kända för att ge de bästa ledningsegenskaperna, vilket gör dem idealiska för högpresterande datoranvändning. De är dock kostsamma vad gäller material och tillverkning och har begränsningar i paketeringsyta. För att mildra dessa problem ökar användningen av lokaliserade kiselbryggor, där man strategiskt använder kisel där fin funktionalitet är avgörande samtidigt som man hanterar areabegränsningar.
Organiska mellanlager, som använder utformade plaster, är ett mer kostnadseffektivt alternativ till kisel. De har en lägre dielektricitetskonstant, vilket minskar RC-fördröjningen i kapslingen. Trots dessa fördelar kämpar organiska mellanlager för att uppnå samma nivå av minskning av sammankopplingsfunktioner som kiselbaserad kapsling, vilket begränsar deras användning i högpresterande datorapplikationer.
Mellanlager i glas har väckt stort intresse, särskilt efter Intels nyligen lanserade glasbaserade testfordonskapslingar. Glas erbjuder flera fördelar, såsom justerbar värmeutvidgningskoefficient (CTE), hög dimensionsstabilitet, släta och plana ytor och förmågan att stödja paneltillverkning, vilket gör det till en lovande kandidat för mellanlager med ledningskapacitet jämförbar med kisel. Bortsett från tekniska utmaningar är den största nackdelen med mellanlager i glas det omogna ekosystemet och den nuvarande bristen på storskalig produktionskapacitet. I takt med att ekosystemet mognar och produktionskapaciteten förbättras kan glasbaserade tekniker inom halvledarkapslingar få ytterligare tillväxt och användning.
När det gäller 3D-förpackningsteknik håller Cu-Cu bump-less hybridbonding 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 hybridbonding kan uppnå avstånd under 10 mikron, vanligtvis i intervallet ensiffriga mikroner, vilket representerar en betydande förbättring jämfört med traditionell mikrobump-teknik, som har bump-avstånd på cirka 40-50 mikron. Fördelarna med hybridbonding inkluderar ökad I/O, förbättrad bandbredd, förbättrad vertikal 3D-stapling, bättre energieffektivitet och minskade parasiteffekter och termisk resistans på grund av avsaknaden av bottenfyllning. Denna teknik är dock komplex att tillverka och har högre kostnader.
2.5D- och 3D-förpackningstekniker omfattar olika förpackningstekniker. Beroende på valet av mellanlagermaterial kan 2.5D-förpackningar delas in i kiselbaserade, organiskt baserade och glasbaserade mellanlager, vilket visas i figuren ovan. Inom 3D-förpackning syftar utvecklingen av mikrostötningsteknik till att minska avståndsmåtten, men idag, genom att använda hybridbindningsteknik (en direkt Cu-Cu-förbindningsmetod), kan ensiffriga avståndsmått uppnås, vilket markerar betydande framsteg inom området.
**Viktiga teknologiska trender att hålla koll på:**
1. **Större mellanliggande lagerområden:** IDTechEx förutspådde tidigare att på grund av svårigheten med att kiselmellanlager överstiger en gräns på 3x siktmedelsstorlek, skulle 2,5D-kiselbrygglösningar snart ersätta kiselmellanlager som det primära valet för paketering av HPC-chip. 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 siktmedelsstorlek. IDTechEx förväntar sig att denna trend fortsätter, med ytterligare framsteg som diskuteras i deras rapport som täcker större aktörer.
2. **Panelnivåförpackning:** Panelnivåförpackning har blivit ett viktigt fokusområde, vilket framhölls vid Taiwan International Semiconductor Exhibition 2024. Denna förpackningsmetod möjliggör användning av större mellanlager och hjälper till att minska kostnaderna genom att producera fler paket samtidigt. Trots dess potential måste utmaningar som skevhetshantering fortfarande åtgärdas. Dess ökande betydelse återspeglar den växande efterfrågan på större, mer kostnadseffektiva mellanlager.
3. **Mellanlager av glas:** Glas framstår som ett starkt kandidatmaterial för att uppnå fin ledningsdragning, jämförbart med kisel, med ytterligare fördelar som justerbar CTE och högre tillförlitlighet. Mellanlager av glas är också kompatibla med kapsling på panelnivå, vilket erbjuder potential för högdensitetskablagring till mer hanterbara kostnader, vilket gör det till en lovande lösning för framtida förpackningstekniker.
4. **HBM-hybridbindning:** 3D-koppar-koppar (Cu-Cu) hybridbindning är en viktig teknik för att uppnå ultrafin vertikal sammankoppling mellan chip. Denna teknik 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-chips. Hybridbindning förväntas spela en avgörande roll i framtida HBM-framsteg, särskilt för DRAM-stackar som överstiger 16-Hi- eller 20-Hi-lager.
5. **Sampaketerade optiska enheter (CPO):** Med den växande efterfrågan på högre datagenomströmning och energieffektivitet har optisk sammankopplingsteknik fått stor uppmärksamhet. Sampaketerade optiska enheter (CPO) blir en viktig lösning för att förbättra I/O-bandbredd 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.
**Viktiga marknader att hålla koll på:**
Den primära marknaden som driver utvecklingen av 2,5D- och 3D-kapslingstekniker 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 chip möjliggör också optimal användning av processnoder mellan olika funktionella block, såsom att separera I/O-block från processblock, vilket ytterligare förbättrar effektiviteten.
Förutom högpresterande datorteknik (HPC) förväntas även andra marknader uppnå tillväxt genom införandet av avancerad paketeringsteknik. Inom 5G- och 6G-sektorerna kommer innovationer som paketeringsantenner och banbrytande chiplösningar att forma framtiden för trådlösa åtkomstnätverksarkitekturer (RAN). Autonoma fordon kommer också att gynnas, eftersom dessa tekniker stöder integrationen av sensorsviter och datorenheter för att bearbeta stora mängder data samtidigt som säkerhet, tillförlitlighet, kompakthet, energi- och värmehantering samt kostnadseffektivitet säkerställs.
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. Avancerad halvledarkapsling kommer att spela en nyckelroll i denna trend, även om paketeringsmetoderna kan skilja sig från de som används inom HPC.
Publiceringstid: 7 oktober 2024