Priemysel automobilových čipov prechádza zmenami
Tím polovodičových inžinierov nedávno diskutoval s Michaelom Kellym, viceprezidentom spoločnosti Amkor pre malé čipy a integráciu FCBGA, o malých čipoch, hybridných väzbách a nových materiáloch. Diskusie sa zúčastnili aj výskumník spoločnosti ASE William Chen, generálny riaditeľ spoločnosti Promex Industries Dick Otte a Sander Roosendaal, riaditeľ výskumu a vývoja spoločnosti Synopsys Photonics Solutions. Nižšie sú uvedené úryvky z tejto diskusie.
Vývoj automobilových čipov po mnoho rokov nezastával vedúce postavenie v tomto odvetví. S nástupom elektrických vozidiel a vývojom pokročilých informačno-zábavných systémov sa však táto situácia dramaticky zmenila. Aké problémy ste si všimli?
Kelly: Špičkové systémy ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) vyžadujú procesory s 5-nanometrovým alebo menším procesom, aby boli na trhu konkurencieschopné. Po vstupe do 5-nanometrového procesu musíte zvážiť náklady na doštičky, čo vedie k starostlivému zváženiu riešení s malými čipmi, pretože je ťažké vyrábať veľké čipy 5-nanometrovým procesom. Okrem toho je výťažnosť nízka, čo má za následok extrémne vysoké náklady. Pri práci s 5-nanometrovými alebo pokročilejšími procesmi zákazníci zvyčajne zvažujú výber časti 5-nanometrového čipu namiesto použitia celého čipu a zároveň zvyšujú investície do fázy balenia. Možno si pomyslia: „Bolo by to nákladovo efektívnejšie riešenie na dosiahnutie požadovaného výkonu týmto spôsobom, než sa snažiť dokončiť všetky funkcie vo väčšom čipe?“ Takže áno, špičkové automobilové spoločnosti určite venujú pozornosť technológii malých čipov. Popredné spoločnosti v tomto odvetví to pozorne sledujú. V porovnaní s výpočtovou oblasťou automobilový priemysel pravdepodobne zaostáva o 2 až 4 roky v aplikácii technológie malých čipov, ale trend jej aplikácie v automobilovom sektore je jasný. Automobilový priemysel má extrémne vysoké požiadavky na spoľahlivosť, takže spoľahlivosť technológie malých čipov musí byť preukázaná. Rozsiahle využitie technológie malých čipov v automobilovom priemysle je však určite na ceste.
Chen: Nevšimol som si žiadne významné prekážky. Myslím si, že ide skôr o potrebu hlbšie sa naučiť a pochopiť príslušné certifikačné požiadavky. To siaha až k úrovni metrológie. Ako vyrábame obaly, ktoré spĺňajú extrémne prísne automobilové normy? Je však isté, že príslušná technológia sa neustále vyvíja.
Vzhľadom na mnohé tepelné problémy a zložitosti spojené s viacčipovými komponentmi, budú existovať nové profily záťažových testov alebo rôzne typy testov? Môžu súčasné normy JEDEC pokrývať takéto integrované systémy?
Chen: Myslím si, že musíme vyvinúť komplexnejšie diagnostické metódy na jasnú identifikáciu zdroja porúch. Diskutovali sme o kombinácii metrológie s diagnostikou a máme zodpovednosť zistiť, ako vytvoriť robustnejšie balíky, používať kvalitnejšie materiály a procesy a ako ich validovať.
Kelly: V súčasnosti vykonávame prípadové štúdie so zákazníkmi, ktorí sa niečo naučili z testovania na úrovni systému, najmä z testovania vplyvu teploty vo funkčných testoch dosiek, čo nie je zahrnuté v testovaní JEDEC. Testovanie JEDEC je iba izotermické testovanie, ktoré zahŕňa „nárast, pokles a teplotný prechod“. Rozloženie teploty v skutočných puzdrách sa však ďaleko od toho, čo sa deje v reálnom svete. Čoraz viac zákazníkov chce vykonávať testovanie na úrovni systému v ranom štádiu, pretože tejto situácii rozumejú, hoci nie každý si ju uvedomuje. Tu zohráva úlohu aj simulačná technológia. Ak má niekto skúsenosti s kombinovanou tepelno-mechanickou simuláciou, analýza problémov sa stáva jednoduchšou, pretože vie, na ktoré aspekty sa má počas testovania zamerať. Testovanie na úrovni systému a simulačná technológia sa navzájom dopĺňajú. Tento trend je však stále v počiatočnom štádiu.
Je v uzloch so zrelými technológiami potrebné riešiť viac tepelných problémov ako v minulosti?
Otte: Áno, ale v posledných rokoch sa problémy s koplanaritou stali čoraz výraznejšími. Na čipe vidíme 5 000 až 10 000 medených stĺpikov, ktoré sú od seba vzdialené od 50 do 127 mikrónov. Ak si dôkladne preskúmate relevantné údaje, zistíte, že umiestnenie týchto medených stĺpikov na substrát a vykonanie operácií ohrevu, chladenia a spájkovania pretavením si vyžaduje dosiahnutie presnosti koplanarity približne jedna stotisíc. Presnosť jedna stotisíc je ako nájsť steblo trávy v dĺžke futbalového ihriska. Zakúpili sme niekoľko vysokovýkonných nástrojov Keyence na meranie rovinnosti čipu a substrátu. Samozrejme, vyvstáva otázka, ako kontrolovať tento jav deformácie počas cyklu spájkovania pretavením? Je to naliehavý problém, ktorý treba riešiť.
Chen: Pamätám si diskusie o Ponte Vecchio, kde použili nízkoteplotnú spájku skôr z dôvodu montáže než z dôvodu výkonu.
Vzhľadom na to, že všetky obvody v okolí majú stále problémy s teplotou, ako by sa mala do toho integrovať fotonika?
Roosendaal: Tepelnú simuláciu je potrebné vykonať pre všetky aspekty a vysokofrekvenčná extrakcia je tiež nevyhnutná, pretože vstupujúce signály sú vysokofrekvenčné signály. Preto je potrebné riešiť problémy, ako je prispôsobenie impedancie a správne uzemnenie. Môžu existovať značné teplotné gradienty, ktoré môžu existovať v samotnom čipe alebo medzi tým, čo nazývame čip „E“ (elektrický čip) a čip „P“ (fotónový čip). Zaujíma ma, či sa musíme hlbšie ponoriť do tepelných vlastností lepidiel.
To vyvoláva diskusie o spojovacích materiáloch, ich výbere a stabilite v priebehu času. Je evidentné, že technológia hybridného spájania sa v reálnom svete uplatňuje, ale zatiaľ sa nepoužíva na hromadnú výrobu. Aký je súčasný stav tejto technológie?
Kelly: Všetky strany v dodávateľskom reťazci venujú pozornosť technológii hybridného spájania. V súčasnosti túto technológiu využívajú najmä zlievarne, ale aj spoločnosti OSAT (Outsourcing Semiconductor Assembly and Test) vážne študujú jej komerčné aplikácie. Klasické komponenty s hybridným dielektrickým spájaním medi prešli dlhodobou validáciou. Ak sa dá kontrolovať čistota, tento proces dokáže vyrobiť veľmi robustné komponenty. Má však extrémne vysoké požiadavky na čistotu a kapitálové náklady na zariadenie sú veľmi vysoké. Zažili sme prvé pokusy o aplikáciu v produktovej rade Ryzen od spoločnosti AMD, kde väčšina SRAM používala technológiu hybridného spájania medi. Nevidel som však veľa ďalších zákazníkov, ktorí by túto technológiu používali. Hoci je na technologických plánoch mnohých spoločností, zdá sa, že bude trvať ešte niekoľko rokov, kým súvisiace zariadenia splnia nezávislé požiadavky na čistotu. Ak sa dá aplikovať v továrenskom prostredí s mierne nižšou čistotou ako typická výroba doštičiek a ak sa podarí dosiahnuť nižšie náklady, potom sa tejto technológii možno bude venovať väčšia pozornosť.
Chen: Podľa mojich štatistík bude na konferencii ECTC 2024 prezentovaných najmenej 37 článkov o hybridnom lepení. Ide o proces, ktorý si vyžaduje veľa odborných znalostí a zahŕňa značné množstvo jemných operácií počas montáže. Táto technológia sa teda určite dostane do širokého uplatnenia. Už teraz existuje niekoľko prípadov použitia, ale v budúcnosti sa stane rozšírenejšou v rôznych oblastiach.
Keď spomínate „jemné operácie“, máte na mysli potrebu značných finančných investícií?
Chen: Samozrejme, zahŕňa to čas a odborné znalosti. Vykonávanie tejto operácie si vyžaduje veľmi čisté prostredie, čo si vyžaduje finančné investície. Vyžaduje si to aj súvisiace vybavenie, ktoré si podobne vyžaduje financovanie. Takže to zahŕňa nielen prevádzkové náklady, ale aj investície do zariadení.
Kelly: V prípadoch s rozostupom 15 mikrónov alebo väčším je značný záujem o použitie technológie medzi medenými stĺpikmi a doštičkami. V ideálnom prípade sú doštičky ploché a veľkosti čipov nie sú veľmi veľké, čo umožňuje vysokokvalitné pretavenie pre niektoré z týchto rozostupov. Hoci to predstavuje určité výzvy, je to oveľa menej nákladné ako použitie technológie hybridného spájania medi. Ak je však požiadavka na presnosť 10 mikrónov alebo menej, situácia sa mení. Spoločnosti používajúce technológiu stohovania čipov dosiahnu jednociferné rozostupy v mikrónoch, napríklad 4 alebo 5 mikrónov, a neexistuje žiadna alternatíva. Preto sa príslušná technológia nevyhnutne bude vyvíjať. Existujúce technológie sa však tiež neustále zlepšujú. Teraz sa teda zameriavame na limity, do ktorých sa medené stĺpiky môžu rozšíriť, a na to, či táto technológia vydrží dostatočne dlho na to, aby zákazníci odložili všetky investície do návrhu a „kvalifikačného“ vývoja skutočnej technológie hybridného spájania medi.
Chen: Relevantné technológie prijmeme iba vtedy, keď bude dopyt.
Existuje v súčasnosti veľa nových vývojov v oblasti epoxidových formovacích zmesí?
Kelly: Tvarovacie zmesi prešli významnými zmenami. Ich koeficient tepelnej rozťažnosti (CTE) sa výrazne znížil, vďaka čomu sú z hľadiska tlaku výhodnejšie pre relevantné aplikácie.
Otte: Vrátime sa k našej predchádzajúcej diskusii, koľko polovodičových čipov sa v súčasnosti vyrába s roztečou 1 alebo 2 mikróny?
Kelly: Významná časť.
Chen: Pravdepodobne menej ako 1 %.
Otte: Takže technológia, o ktorej diskutujeme, nie je bežná. Nie je vo fáze výskumu, keďže popredné spoločnosti túto technológiu síce používajú, ale je nákladná a má nízke výnosy.
Kelly: Toto sa uplatňuje hlavne vo vysokovýkonných výpočtoch. V súčasnosti sa používa nielen v dátových centrách, ale aj vo špičkových počítačoch a dokonca aj v niektorých vreckových zariadeniach. Hoci sú tieto zariadenia relatívne malé, stále majú vysoký výkon. V širšom kontexte procesorov a aplikácií CMOS však ich podiel zostáva relatívne malý. Pre bežných výrobcov čipov nie je potrebné túto technológiu prijímať.
Otte: Preto je prekvapujúce vidieť, ako táto technológia vstupuje do automobilového priemyslu. Autá nepotrebujú extrémne malé čipy. Môžu zostať pri 20 alebo 40 nanometrových procesoch, pretože náklady na tranzistor v polovodičoch sú pri tomto procese najnižšie.
Kelly: Výpočtové požiadavky pre ADAS alebo autonómne riadenie sú však rovnaké ako pre počítače s umelou inteligenciou alebo podobné zariadenia. Preto automobilový priemysel potrebuje investovať do týchto špičkových technológií.
Ak je produktový cyklus päť rokov, mohlo by prijatie nových technológií predĺžiť túto výhodu o ďalších päť rokov?
Kelly: To je veľmi rozumný postreh. Automobilový priemysel má iný uhol pohľadu. Zoberme si jednoduché servo regulátory alebo relatívne jednoduché analógové zariadenia, ktoré existujú už 20 rokov a sú veľmi lacné. Používajú malé čipy. Ľudia v automobilovom priemysle chcú tieto produkty naďalej používať. Chcú investovať iba do veľmi špičkových výpočtových zariadení s malými digitálnymi čipmi a prípadne ich spárovať s lacnými analógovými čipmi, flash pamäťou a RF čipmi. Pre nich má model s malým čipom veľký zmysel, pretože si môžu ponechať mnoho lacných, stabilných súčiastok staršej generácie. Nechcú tieto súčiastky meniť a ani to nemusia. Potom im stačí pridať špičkový 5-nanometrový alebo 3-nanometrový malý čip, aby splnil funkcie časti ADAS. V skutočnosti používajú rôzne typy malých čipov v jednom produkte. Na rozdiel od počítačov a výpočtovej techniky má automobilový priemysel rozmanitejšiu škálu aplikácií.
Chen: Navyše, tieto čipy nemusia byť inštalované vedľa motora, takže podmienky prostredia sú relatívne lepšie.
Kelly: Teplota prostredia v autách je pomerne vysoká. Preto aj keď výkon čipu nie je obzvlášť vysoký, automobilový priemysel musí investovať určité prostriedky do dobrých riešení tepelného manažmentu a môže dokonca zvážiť použitie india TIM (tepelne vodivých materiálov), pretože podmienky prostredia sú veľmi drsné.
Čas uverejnenia: 28. apríla 2025