Bilchipindustrin genomgår förändringar
Nyligen diskuterade halvledarteknikteamet små chip, hybridbindning och nya material med Michael Kelly, vice vd för Amkors små chip- och FCBGA-integration. I diskussionen deltog även ASE-forskaren William Chen, Promex Industries VD Dick Otte och Sander Roosendaal, FoU-chef för Synopsys Photonics Solutions. Nedan följer utdrag från denna diskussion.
Under många år tog utvecklingen av bilchip inte någon ledande position i branschen. Men med uppkomsten av elbilar och utvecklingen av avancerade infotainmentsystem har denna situation förändrats dramatiskt. Vilka problem har du lagt märke till?
Kelly: Avancerade ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) kräver processorer med en 5-nanometerprocess eller mindre för att vara konkurrenskraftiga på marknaden. När man väl har börjat med 5-nanometerprocessen måste man ta hänsyn till waferkostnaderna, vilket leder till noggrant övervägande av småchiplösningar, eftersom det är svårt att tillverka stora chip med 5-nanometerprocessen. Dessutom är utbytet lågt, vilket resulterar i extremt höga kostnader. När det gäller 5-nanometer eller mer avancerade processer överväger kunder vanligtvis att välja en del av 5-nanometerchippet snarare än att använda hela chipet, samtidigt som de ökar investeringarna i paketeringsstadiet. De kanske tänker: "Skulle det vara ett mer kostnadseffektivt alternativ att uppnå den erforderliga prestandan på det här sättet, snarare än att försöka slutföra alla funktioner i ett större chip?" Så ja, avancerade bilföretag uppmärksammar definitivt småchipteknik. Ledande företag i branschen följer detta noga. Jämfört med datorområdet ligger bilindustrin förmodligen 2 till 4 år efter i tillämpningen av småchipteknik, men trenden för dess tillämpning inom bilsektorn är tydlig. Bilindustrin har extremt höga tillförlitlighetskrav, så tillförlitligheten hos småchipstekniken måste bevisas. Storskalig tillämpning av småchipsteknik inom fordonsområdet är dock definitivt på gång.
Chen: Jag har inte märkt några större hinder. Jag tror att det handlar mer om att man behöver lära sig och förstå de relevanta certifieringskraven på djupet. Detta går tillbaka till metrologinivån. Hur tillverkar vi paket som uppfyller de extremt stränga fordonsstandarderna? Men det är säkert att den relevanta tekniken ständigt utvecklas.
Med tanke på de många termiska problem och komplexiteter som är förknippade med multi-chip-komponenter, kommer det att finnas nya stresstestprofiler eller olika typer av tester? Kan de nuvarande JEDEC-standarderna täcka sådana integrerade system?
Chen: Jag anser att vi behöver utveckla mer omfattande diagnostiska metoder för att tydligt identifiera källan till fel. Vi har diskuterat att kombinera mätteknik med diagnostik, och vi har ett ansvar att lista ut hur man bygger mer robusta paket, använder material och processer av högre kvalitet och validerar dem.
Kelly: Numera genomför vi fallstudier med kunder som har lärt sig något av systemnivåtestning, särskilt temperaturpåverkanstestning i funktionella korttester, vilket inte täcks av JEDEC-testning. JEDEC-testning är helt enkelt isotermisk testning, som involverar "temperaturökning, -fall och temperaturövergång". Temperaturfördelningen i faktiska paket är dock långt ifrån vad som sker i verkligheten. Fler och fler kunder vill genomföra systemnivåtestning tidigt eftersom de förstår denna situation, även om inte alla är medvetna om den. Simuleringsteknik spelar också en roll här. Om man är skicklig på termisk-mekanisk kombinationssimulering blir det lättare att analysera problem eftersom man vet vilka aspekter man ska fokusera på under testningen. Systemnivåtestning och simuleringsteknik kompletterar varandra. Denna trend är dock fortfarande i ett tidigt skede.
Finns det fler termiska problem att åtgärda vid mogna tekniknoder än tidigare?
Otte: Ja, men under de senaste åren har problem med koplanaritet blivit alltmer framträdande. Vi ser 5 000 till 10 000 kopparpelare på ett chip, placerade mellan 50 mikron och 127 mikron från varandra. Om du noggrant granskar relevanta data kommer du att upptäcka att placeringen av dessa kopparpelare på substratet och utförandet av uppvärmning, kylning och omlödningsoperationer kräver att man uppnår ungefär en del på hundratusen koplanaritetsprecision. En del på hundratusen precision är som att hitta ett grässtrå inom längden av en fotbollsplan. Vi har köpt några högpresterande Keyence-verktyg för att mäta chipets och substratets planhet. Den efterföljande frågan är naturligtvis hur man kontrollerar detta skevhetsfenomen under omlödningscykeln? Detta är en angelägen fråga som måste åtgärdas.
Chen: Jag minns diskussioner om Ponte Vecchio, där de använde lågtemperaturlödning av monteringsskäl snarare än prestandaskäl.
Med tanke på att alla kretsar i närheten fortfarande har termiska problem, hur bör fotonik integreras i detta?
Roosendaal: Termisk simulering behöver utföras för alla aspekter, och högfrekvent extraktion är också nödvändig eftersom de signaler som kommer in är högfrekventa signaler. Därför måste frågor som impedansmatchning och korrekt jordning åtgärdas. Det kan finnas betydande temperaturgradienter, vilka kan existera inuti själva formen eller mellan det vi kallar "E"-formen (elektrisk form) och "P"-formen (fotonform). Jag är nyfiken på om vi behöver fördjupa oss i lims termiska egenskaper.
Detta väcker diskussioner om bindningsmaterial, deras val och stabilitet över tid. Det är uppenbart att hybridbindningsteknik har tillämpats i verkligheten, men den har ännu inte använts för massproduktion. Hur ser teknikens nuvarande tillstånd ut?
Kelly: Alla parter i leveranskedjan uppmärksammar hybridbindningstekniken. För närvarande leds denna teknik huvudsakligen av gjuterier, men OSAT-företag (Outsourced Semiconductor Assembly and Test) studerar också seriöst dess kommersiella tillämpningar. Klassiska kopparhybriddielektriska bindningskomponenter har genomgått långsiktig validering. Om renheten kan kontrolleras kan denna process producera mycket robusta komponenter. Den har dock extremt höga renhetskrav och kapitalutrustningskostnaderna är mycket höga. Vi upplevde tidiga tillämpningsförsök i AMD:s Ryzen-produktlinje, där de flesta SRAM-kretsar använde kopparhybridbindningsteknik. Jag har dock inte sett många andra kunder tillämpa denna teknik. Även om den finns på teknikplanen för många företag verkar det som att det kommer att ta några år till för de relaterade utrustningssviterna att uppfylla oberoende renhetskrav. Om den kan tillämpas i en fabriksmiljö med något lägre renlighet än en typisk waferfabrik, och om lägre kostnader kan uppnås, kanske denna teknik kommer att få mer uppmärksamhet.
Chen: Enligt min statistik kommer minst 37 artiklar om hybridbindning att presenteras vid ECTC-konferensen 2024. Det här är en process som kräver mycket expertis och involverar en betydande mängd finjusteringar under monteringen. Så den här tekniken kommer definitivt att få en bred tillämpning. Det finns redan några tillämpningsfall, men i framtiden kommer den att bli mer vanlig inom olika områden.
När du nämner "fin drift", syftar du på behovet av betydande finansiella investeringar?
Chen: Naturligtvis kräver det tid och expertis. Att utföra denna operation kräver en mycket ren miljö, vilket kräver ekonomiska investeringar. Det kräver också relaterad utrustning, vilket på liknande sätt kräver finansiering. Så detta innebär inte bara driftskostnader utan även investeringar i anläggningar.
Kelly: I fall med ett avstånd på 15 mikron eller större finns det ett stort intresse för att använda wafer-till-wafer-teknik för kopparpelare. Helst bör wafern vara plana och chipstorlekarna inte särskilt stora, vilket möjliggör högkvalitativ omsmältning för vissa av dessa avstånd. Även om detta medför vissa utmaningar är det mycket billigare än att satsa på kopparhybridbindningsteknik. Men om precisionskravet är 10 mikron eller lägre förändras situationen. Företag som använder chipstaplingsteknik kommer att uppnå ensiffriga mikronavstånd, såsom 4 eller 5 mikron, och det finns inget alternativ. Därför kommer den relevanta tekniken oundvikligen att utvecklas. Befintlig teknik förbättras dock också kontinuerligt. Så nu fokuserar vi på gränserna för hur kopparpelare kan sträcka sig och om denna teknik kommer att hålla tillräckligt länge för att kunderna ska skjuta upp alla design- och "kvalificerings"-utvecklingsinvesteringar i äkta kopparhybridbindningsteknik.
Chen: Vi kommer bara att använda relevanta teknologier när det finns efterfrågan.
Finns det många nya utvecklingar inom epoxiformmassa för närvarande?
Kelly: Formmassor har genomgått betydande förändringar. Deras värmeutvidgningskoefficient (CTE) har minskats kraftigt, vilket gör dem mer gynnsamma för relevanta tillämpningar ur ett tryckperspektiv.
Otte: För att återgå till vår tidigare diskussion, hur många halvledarchip tillverkas för närvarande med 1 eller 2 mikrons mellanrum?
Kelly: En betydande andel.
Chen: Förmodligen mindre än 1 %.
Otte: Så tekniken vi diskuterar är inte mainstream. Den är inte i forskningsfasen, eftersom ledande företag faktiskt tillämpar den här tekniken, men den är kostsam och har låg avkastning.
Kelly: Detta tillämpas främst inom högpresterande datorteknik. Numera används det inte bara i datacenter utan även i avancerade datorer och till och med vissa handhållna enheter. Även om dessa enheter är relativt små har de fortfarande hög prestanda. Men i det bredare sammanhanget med processorer och CMOS-applikationer är dess andel fortfarande relativt liten. För vanliga chiptillverkare finns det inget behov av att använda denna teknik.
Otte: Det är därför förvånande att se den här tekniken komma in i bilindustrin. Bilar behöver inte extremt små chips. De kan behålla 20- eller 40-nanometers processer, eftersom kostnaden per transistor i halvledare är lägst vid denna process.
Kelly: Beräkningskraven för ADAS eller autonom körning är dock desamma som för AI-datorer eller liknande enheter. Därför behöver bilindustrin investera i dessa banbrytande tekniker.
Om produktcykeln är fem år, kan införandet av ny teknik förlänga fördelen med ytterligare fem år?
Kelly: Det är en mycket rimlig poäng. Bilindustrin har en annan vinkel. Tänk på enkla servostyrenheter eller relativt enkla analoga enheter som har funnits i 20 år och är mycket billiga. De använder små chip. Folk inom bilindustrin vill fortsätta använda dessa produkter. De vill bara investera i mycket avancerade datorenheter med digitala små chip och eventuellt para ihop dem med billiga analoga chip, flashminne och RF-chip. För dem är småchipmodellen mycket vettig eftersom de kan behålla många billiga, stabila delar av äldre generation. De varken vill eller behöver ändra dessa delar. Sedan behöver de bara lägga till ett avancerat litet chip på 5 eller 3 nanometer för att uppfylla funktionerna i ADAS-delen. Faktum är att de använder olika typer av små chip i en produkt. Till skillnad från PC- och datorområdena har bilindustrin ett mer varierat utbud av applikationer.
Chen: Dessutom behöver dessa chips inte installeras bredvid motorn, så miljöförhållandena är relativt sett bättre.
Kelly: Omgivningstemperaturen i bilar är ganska hög. Därför, även om chipets effekt inte är särskilt hög, måste bilindustrin investera en del pengar i bra värmehanteringslösningar och kan till och med överväga att använda indium TIM (termiska gränssnittsmaterial) eftersom miljöförhållandena är mycket hårda.
Publiceringstid: 28 april 2025