Balenie polovodičov sa vyvinulo z tradičných návrhov 1D plošných spojov na špičkové 3D hybridné lepenie na úrovni plátkov. Tento pokrok umožňuje prepojovacie rozstupy v rozsahu jednociferných mikrónov so šírkami pásma až 1000 GB/s pri zachovaní vysokej energetickej účinnosti. Jadrom pokročilých technológií balenia polovodičov sú 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 systémov HPC.
Technológia balenia 2.5D zahŕňa rôzne materiály medzivrstvy, z ktorých každý má svoje výhody a nevýhody. Kremíkové (Si) medzivrstvy, vrátane plne pasívnych kremíkových plátkov a lokalizovaných kremíkových mostíkov, sú známe tým, že poskytujú najlepšie možnosti zapojenia, 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 zvyšuje používanie lokalizovaných kremíkových mostíkov, ktoré strategicky využívajú kremík tam, kde je kritická jemná funkčnosť pri riešení obmedzení oblasti.
Organické medzivrstvy využívajúce vejárovité lisované plasty sú cenovo výhodnejšou alternatívou kremíka. Majú nižšiu dielektrickú konštantu, čo znižuje oneskorenie RC v obale. Napriek týmto výhodám sa organické medzivrstvy snažia dosiahnuť rovnakú úroveň redukcie funkcií prepojenia ako obaly na báze kremíka, čo obmedzuje ich prijatie vo vysokovýkonných výpočtových aplikáciách.
Sprostredkujúce vrstvy skla získali značný záujem, najmä po nedávnom uvedení obalov testovacích vozidiel na báze skla od spoločnosti Intel. Sklo ponúka niekoľko výhod, ako je nastaviteľný koeficient tepelnej rozťažnosti (CTE), vysoká rozmerová stabilita, hladké a rovné povrchy a schopnosť podporovať výrobu panelov, čo z neho robí sľubného kandidáta na medzivrstvy s elektroinštaláciou porovnateľnou s kremíkom. Okrem technických výziev je však hlavnou nevýhodou medzivrstvy skla nezrelý ekosystém a súčasný nedostatok veľkých výrobných kapacít. Ako ekosystém dozrieva a zlepšujú sa výrobné možnosti, technológie na báze skla v polovodičových obaloch môžu zaznamenať ďalší rast a prijatie.
Pokiaľ ide o technológiu 3D balenia, hybridné lepenie bez nárazov Cu-Cu sa stáva vedúcou inovatívnou technológiou. Táto pokročilá technika dosahuje trvalé prepojenia kombináciou dielektrických materiálov (ako SiO2) s vloženými kovmi (Cu). Hybridným spájaním Cu-Cu možno dosiahnuť rozstupy pod 10 mikrónov, zvyčajne v rozsahu jednociferných mikrónov, čo predstavuje významné zlepšenie oproti tradičnej mikrobumpovej technológii, ktorá má rozostupy hrbolčekov približne 40-50 mikrónov. Medzi výhody hybridného spájania patrí zvýšený vstup/výstup, rozšírená šírka pásma, vylepšené 3D vertikálne stohovanie, lepšia energetická účinnosť a znížené parazitné efekty a tepelná odolnosť vďaka absencii spodnej výplne. Táto technológia je však zložitá na výrobu a má vyššie náklady.
2.5D a 3D baliace technológie zahŕňajú rôzne baliace techniky. V 2,5D balení, v závislosti od výberu materiálov medzivrstvy, môže byť kategorizované do medzivrstvy na báze kremíka, organickej báze a na báze skla, ako je znázornené na obrázku vyššie. V 3D balení sa vývoj technológie mikrobumpov zameriava na zmenšenie rozmerov medzier, ale dnes je možné pomocou technológie hybridného spájania (priamy spôsob spojenia Cu-Cu) dosiahnuť jednociferné rozmery rozstupov, čo znamená významný pokrok v tejto oblasti. .
**Kľúčové technologické trendy na sledovanie:**
1. **Väčšie oblasti medzivrstvy:** IDTechEx už predtým predpovedal, že kvôli ťažkostiam s kremíkovými medzivrstvami prekračujúcimi 3-násobný limit veľkosti nitkového kríža by 2,5D kremíkové mostíky čoskoro nahradili kremíkové medzivrstvy ako primárnu voľbu pre balenie HPC čipov. TSMC je hlavným dodávateľom 2,5D kremíkových sprostredkovateľských vrstiev pre NVIDIA a ďalších popredných vývojárov HPC, ako sú Google a Amazon, a spoločnosť nedávno oznámila masovú výrobu svojej prvej generácie CoWoS_L s 3,5-násobnou veľkosťou nitkového kríža. IDTechEx očakáva, že tento trend bude pokračovať, pričom ďalšie pokroky budú diskutované v jej správe týkajúcej sa hlavných hráčov.
2. **Obaly na úrovni panelov:** Obaly na úrovni panelov sa stali dôležitým bodom, ako bolo zdôraznené na Taiwanskej medzinárodnej výstave polovodičov v roku 2024. Tento spôsob balenia umožňuje použitie väčších medzivrstvy a pomáha znižovať náklady tým, že vyrába viac balení súčasne. Napriek svojmu potenciálu je stále potrebné riešiť problémy, ako je napríklad správa warpage. Jeho rastúca dôležitosť odráža rastúci dopyt po väčších, nákladovo efektívnejších sprostredkovateľských vrstvách.
3. **Sklo medzivrstvy:** Sklo sa objavuje ako silný kandidátsky materiál na dosiahnutie jemného zapojenia, porovnateľného s kremíkom, s ďalšími výhodami, ako je nastaviteľný CTE a vyššia spoľahlivosť. Sklenené medzivrstvy sú tiež kompatibilné s obalmi na úrovni panelov, čo ponúka potenciál pre vysokohustotné vedenie za lepšie zvládnuteľné náklady, čo z neho robí sľubné riešenie pre budúce obalové technológie.
4. **HBM Hybrid Bonding:** 3D hybridné spojenie meď-meď (Cu-Cu) je kľúčovou technológiou na dosiahnutie ultrajemných vertikálnych prepojení medzi čipmi. Táto technológia bola použitá v rôznych špičkových serverových produktoch, vrátane AMD EPYC pre stohované SRAM a CPU, ako aj v sérii MI300 na stohovanie CPU/GPU blokov na I/O matrice. Očakáva sa, že hybridná väzba bude hrať kľúčovú úlohu v budúcich pokrokoch HBM, najmä pre zásobníky DRAM presahujúce 16-Hi alebo 20-Hi vrstvy.
5. **Co-Packaged Optical Devices (CPO):** S rastúcim dopytom po vyššej priepustnosti dát a energetickej účinnosti si technológia optického prepojenia získala značnú pozornosť. Spoločne zabalené optické zariadenia (CPO) sa stávajú kľúčovým riešením na zvýšenie šírky I/O pásma a zníženie spotreby energie. V porovnaní s tradičným elektrickým prenosom ponúka optická komunikácia niekoľko výhod, vrátane nižšieho útlmu signálu na veľké vzdialenosti, zníženej citlivosti na presluchy a výrazne zvýšenej šírky pásma. Vďaka týmto výhodám je CPO ideálnou voľbou pre dátovo náročné a energeticky efektívne systémy HPC.
**Kľúčové trhy na sledovanie:**
Primárnym trhom, ktorý riadi vývoj 2,5D a 3D obalových technológií, je nepochybne sektor vysokovýkonných výpočtov (HPC). Tieto pokročilé metódy balenia sú kľúčové na prekonanie obmedzení Moorovho zákona, umožňujúce viac tranzistorov, pamäte a prepojení v rámci jedného balíka. Rozklad čipov tiež umožňuje optimálne využitie procesných uzlov medzi rôznymi funkčnými blokmi, ako je oddelenie I/O blokov od blokov spracovania, čo ďalej zvyšuje efektivitu.
Okrem vysokovýkonnej výpočtovej techniky (HPC) sa očakáva, že aj ďalšie trhy dosiahnu rast prostredníctvom prijatia pokročilých technológií balenia. V sektoroch 5G a 6G budú inovácie, ako sú obalové antény a špičkové čipové riešenia, formovať budúcnosť architektúr bezdrôtových prístupových sietí (RAN). Prínosom budú aj autonómne vozidlá, pretože tieto technológie podporujú integráciu sád senzorov a výpočtových jednotiek na spracovanie veľkého množstva údajov a zároveň zaisťujú bezpečnosť, spoľahlivosť, kompaktnosť, riadenie napájania a teploty a nákladovú efektívnosť.
Spotrebná elektronika (vrátane smartfónov, inteligentných hodiniek, zariadení AR/VR, počítačov a pracovných staníc) sa napriek väčšiemu dôrazu na náklady čoraz viac zameriava na spracovanie väčšieho množstva údajov v menších priestoroch. Pokročilé balenie polovodičov bude hrať kľúčovú úlohu v tomto trende, hoci metódy balenia sa môžu líšiť od metód používaných v HPC.
Čas odoslania: 25. októbra 2024