Balenie polovodičových prvkov sa vyvinulo z tradičných 1D návrhov dosiek plošných spojov (PCB) na špičkové 3D hybridné spájanie na úrovni doštičiek (wafer). Tento pokrok umožňuje rozostupy prepojení v rozsahu jednotiek mikrónov so šírkou pásma až 1000 GB/s pri zachovaní vysokej energetickej účinnosti. Jadrom pokročilých technológií balenia polovodičov je 2,5D balenie (kde sú komponenty umiestnené vedľa seba na medzivrstve) a 3D balenie (ktoré zahŕňa vertikálne stohovanie aktívnych čipov). Tieto technológie sú kľúčové pre budúcnosť HPC systémov.
Technológia 2,5D balenia zahŕňa rôzne materiály medzivrstvy, z ktorých každý má svoje výhody a nevýhody. Kremíkové (Si) medzivrstvy, vrátane plne pasívnych kremíkových doštičiek a lokalizovaných kremíkových mostíkov, sú známe tým, že poskytujú najlepšie možnosti prepojenia, vďaka čomu sú ideálne pre vysokovýkonné výpočty. Sú však nákladné z hľadiska materiálov a výroby a čelia obmedzeniam v oblasti balenia. Na zmiernenie týchto problémov sa čoraz viac používa lokalizovaný kremíkový mostík, pričom sa strategicky využíva kremík tam, kde je kritická jemná funkčnosť, a zároveň sa riešia obmedzenia oblasti.
Organické medzivrstvy, využívajúce vejárovito tvarované plasty, sú nákladovo efektívnejšou alternatívou ku kremíku. Majú nižšiu dielektrickú konštantu, čo znižuje oneskorenie RC v puzdre. Napriek týmto výhodám majú organické medzivrstvy problém dosiahnuť rovnakú úroveň redukcie prepojovacích prvkov ako puzdrá na báze kremíka, čo obmedzuje ich použitie vo vysokovýkonných výpočtových aplikáciách.
Medzivrstvy zo skla si získali značný záujem, najmä po nedávnom uvedení obalov na testovacie vozidlá na báze skla spoločnosťou Intel. Sklo ponúka niekoľko výhod, ako je nastaviteľný koeficient tepelnej rozťažnosti (CTE), vysoká rozmerová stabilita, hladké a ploché povrchy a schopnosť podporovať výrobu panelov, čo z neho robí sľubného kandidáta na medzivrstvy s možnosťami zapojenia porovnateľnými s kremíkom. Okrem technických výziev je však hlavnou nevýhodou medzivrstvov zo skla nezrelý ekosystém a súčasný nedostatok veľkovýrobných kapacít. S dozrievaním ekosystému a zlepšovaním výrobných kapacít by sa technológie na báze skla v oblasti obalov polovodičov mohli ďalej rozvíjať a prijímať.
Pokiaľ ide o technológiu 3D balenia, hybridné spájanie Cu-Cu bez prelisov sa stáva poprednou inovatívnou technológiou. Táto pokročilá technika dosahuje trvalé prepojenia kombináciou dielektrických materiálov (ako SiO2) so zabudovanými kovmi (Cu). Hybridné spájanie Cu-Cu dokáže dosiahnuť rozostupy pod 10 mikrónov, zvyčajne v rozsahu jednotiek mikrónov, čo predstavuje významné zlepšenie oproti tradičnej technológii mikro-prelisov, ktorá má rozostupy prelisov približne 40 – 50 mikrónov. Medzi výhody hybridného spájania patrí zvýšený počet vstupov/výstupov, zvýšená šírka pásma, vylepšené 3D vertikálne stohovanie, lepšia energetická účinnosť a znížené parazitné účinky a tepelný odpor vďaka absencii spodnej výplne. Táto technológia je však zložitá na výrobu a má vyššie náklady.
Technológie 2,5D a 3D balenia zahŕňajú rôzne techniky balenia. V 2,5D balení sa v závislosti od výberu materiálov medzivrstvy dajú rozdeliť na medzivrstvy na báze kremíka, organickej vrstvy a skla, ako je znázornené na obrázku vyššie. V 3D balení sa vývoj technológie mikro-vyvýšenín zameriava na zníženie rozmerov rozstupov, ale dnes je možné prijatím technológie hybridného spájania (metóda priameho spojenia Cu-Cu) dosiahnuť jednociferné rozmery rozstupov, čo predstavuje významný pokrok v tejto oblasti.
**Kľúčové technologické trendy, ktoré treba sledovať:**
1. **Väčšie plochy medzivrstvy:** Spoločnosť IDTechEx predtým predpovedala, že vzhľadom na ťažkosti s kremíkovými medzivrstvami prekračujúcimi limit 3-násobnej veľkosti osnovy, 2,5D kremíkové mostíky čoskoro nahradia kremíkové medzivrstvy ako primárnu voľbu pre balenie HPC čipov. Spoločnosť TSMC je hlavným dodávateľom 2,5D kremíkových medzivrstvy pre spoločnosť NVIDIA a ďalších popredných vývojárov HPC, ako sú Google a Amazon, a spoločnosť nedávno oznámila hromadnú výrobu svojej prvej generácie CoWoS_L s 3,5-násobnou veľkosťou osnovy. Spoločnosť IDTechEx očakáva, že tento trend bude pokračovať, pričom ďalší pokrok bude diskutovaný v jej správe zahŕňajúcej hlavných hráčov.
2. **Balenie na úrovni panelov:** Balenie na úrovni panelov sa stalo významným zameraním, ako bolo zdôraznené na Medzinárodnej výstave polovodičov na Taiwane v roku 2024. Táto metóda balenia umožňuje použitie väčších medzivrstvových prvkov a pomáha znižovať náklady súčasnou výrobou väčšieho počtu puzdier. Napriek svojmu potenciálu je stále potrebné riešiť problémy, ako je riadenie deformácie. Jeho rastúci význam odráža rastúci dopyt po väčších a nákladovo efektívnejších medzivrstvových prvkoch.
3. **Sklenené medzivrstvy:** Sklo sa stáva silným kandidátom na materiál na dosiahnutie jemného zapojenia, porovnateľného s kremíkom, s ďalšími výhodami, ako je nastaviteľný koeficient tepelnej rozťažnosti (CTE) a vyššia spoľahlivosť. Sklenené medzivrstvy sú tiež kompatibilné s balením na úrovni panelov, čo ponúka potenciál pre kabeláž s vysokou hustotou za prijateľnejšie náklady, čo z neho robí sľubné riešenie pre budúce technológie balenia.
4. **Hybridné spájanie HBM:** 3D hybridné spájanie meď-meď (Cu-Cu) je kľúčovou technológiou na dosiahnutie vertikálnych prepojení s ultratenkým rozstupom medzi čipmi. Táto technológia sa používa v rôznych špičkových serverových produktoch vrátane AMD EPYC pre stohované SRAM a CPU, ako aj série MI300 pre stohovanie blokov CPU/GPU na I/O čipoch. Očakáva sa, že hybridné spájanie bude hrať kľúčovú úlohu v budúcom pokroku HBM, najmä pre stohy DRAM presahujúce 16-Hi alebo 20-Hi vrstvy.
5. **Kompenzované optické zariadenia (CPO):** S rastúcim dopytom po vyššej dátovej priepustnosti a energetickej účinnosti si technológia optického prepojenia získala značnú pozornosť. Kompenzované optické zariadenia (CPO) sa stávajú kľúčovým riešením pre zvýšenie šírky pásma I/O a zníženie spotreby energie. V porovnaní s tradičným elektrickým prenosom ponúka optická komunikácia niekoľko výhod vrátane nižšieho útlmu signálu na dlhé vzdialenosti, zníženej citlivosti na presluchy a výrazne zvýšenej šírky pásma. Vďaka týmto výhodám je CPO ideálnou voľbou pre dátovo náročné a energeticky úsporné HPC systémy.
**Kľúčové trhy, ktoré treba sledovať:**
Primárnym trhom, ktorý poháňa vývoj technológií 2,5D a 3D balenia, je nepochybne sektor vysokovýkonných výpočtov (HPC). Tieto pokročilé metódy balenia sú kľúčové pre prekonanie obmedzení Moorovho zákona, čo umožňuje umiestniť viac tranzistorov, pamäte a prepojení v rámci jedného balenia. Dekompozícia čipov tiež umožňuje optimálne využitie procesných uzlov medzi rôznymi funkčnými blokmi, ako je oddelenie I/O blokov od procesných blokov, čo ďalej zvyšuje efektivitu.
Okrem vysokovýkonných výpočtov (HPC) sa očakáva, že rast dosiahnu aj ďalšie trhy vďaka prijatiu pokročilých technológií balenia. V sektoroch 5G a 6G budú inovácie, ako sú balenie antén a špičkové čipové riešenia, formovať budúcnosť architektúr bezdrôtových prístupových sietí (RAN). Z toho budú profitovať aj autonómne vozidlá, pretože tieto technológie podporujú integráciu senzorových súprav a výpočtových jednotiek na spracovanie veľkého množstva údajov a zároveň zabezpečujú bezpečnosť, spoľahlivosť, kompaktnosť, riadenie napájania a teploty a nákladovú efektívnosť.
Spotrebná elektronika (vrátane smartfónov, inteligentných hodiniek, zariadení AR/VR, počítačov a pracovných staníc) sa čoraz viac zameriava na spracovanie väčšieho množstva údajov v menších priestoroch, a to aj napriek väčšiemu dôrazu na náklady. V tomto trende bude kľúčovú úlohu zohrávať pokročilé balenie polovodičov, hoci metódy balenia sa môžu líšiť od metód používaných v HPC.
Čas uverejnenia: 7. októbra 2024