Halvlederemballasje har utviklet seg fra tradisjonell 1D PCB-design til banebrytende 3D hybridbinding på wafernivå. Denne fremgangen tillater sammenkoblingsavstand i det ensifrede mikronområdet, med båndbredder på opptil 1000 GB/s, samtidig som høy energieffektivitet opprettholdes. I kjernen av avanserte halvlederemballasjeteknologier er 2,5D-emballasje (hvor komponenter er plassert side ved side på et mellomlag) og 3D-emballasje (som innebærer vertikal stabling av aktive brikker). Disse teknologiene er avgjørende for fremtiden til HPC-systemer.
2.5D-emballasjeteknologi involverer ulike mellomlagsmaterialer, hver med sine egne fordeler og ulemper. Silisium (Si) mellomlag, inkludert helpassive silisiumskiver og lokaliserte silisiumbroer, er kjent for å gi de beste kablingsegenskapene, noe som gjør dem ideelle for databehandling med høy ytelse. Imidlertid er de kostbare når det gjelder materialer og produksjon, og har begrensninger i emballasjeområdet. For å dempe disse problemene øker bruken av lokaliserte silisiumbroer, og bruker strategisk silisium der fin funksjonalitet er kritisk samtidig som man tar tak i områdebegrensninger.
Organiske mellomlag, med viftestøpt plast, er et mer kostnadseffektivt alternativ til silisium. De har en lavere dielektrisk konstant, noe som reduserer RC-forsinkelse i pakken. Til tross for disse fordelene, sliter organiske mellomlag med å oppnå samme nivå av reduksjon av sammenkoblingsfunksjoner som silisiumbasert emballasje, noe som begrenser deres bruk i høyytelses databehandlingsapplikasjoner.
Glass mellomlag har fått betydelig interesse, spesielt etter Intels nylige lansering av glassbasert testbilemballasje. Glass tilbyr flere fordeler, som justerbar termisk ekspansjonskoeffisient (CTE), høy dimensjonsstabilitet, glatte og flate overflater, og evnen til å støtte panelproduksjon, noe som gjør det til en lovende kandidat for mellomlag med kablingsegenskaper som kan sammenlignes med silisium. Men bortsett fra tekniske utfordringer, er hovedulempen med glassmellomlag det umodne økosystemet og dagens mangel på storskala produksjonskapasitet. Etter hvert som økosystemet modnes og produksjonsevnen forbedres, kan glassbaserte teknologier i halvlederemballasje se ytterligere vekst og bruk.
Når det gjelder 3D-emballasjeteknologi, er Cu-Cu-støtfri hybridbinding i ferd med å bli en ledende innovativ teknologi. Denne avanserte teknikken oppnår permanente sammenkoblinger ved å kombinere dielektriske materialer (som SiO2) med innebygde metaller (Cu). Cu-Cu hybridbinding kan oppnå avstander under 10 mikron, typisk i det ensifrede mikronområdet, som representerer en betydelig forbedring i forhold til tradisjonell mikrobump-teknologi, som har bump-avstander på omtrent 40-50 mikron. Fordelene med hybridbinding inkluderer økt I/O, forbedret båndbredde, forbedret 3D vertikal stabling, bedre strømeffektivitet og reduserte parasittiske effekter og termisk motstand på grunn av fravær av bunnfylling. Imidlertid er denne teknologien kompleks å produsere og har høyere kostnader.
2.5D- og 3D-emballasjeteknologier omfatter ulike pakketeknikker. I 2.5D-emballasje, avhengig av valg av mellomlagsmaterialer, kan det kategoriseres i silisiumbaserte, organisk-baserte og glassbaserte mellomlag, som vist i figuren ovenfor. I 3D-emballasje har utviklingen av mikrobump-teknologi som mål å redusere avstandsdimensjonene, men i dag, ved å ta i bruk hybridbindingsteknologi (en direkte Cu-Cu-tilkoblingsmetode), kan enkeltsifrede avstandsdimensjoner oppnås, noe som markerer betydelig fremgang på feltet .
**Teknologiske nøkkeltrender å se:**
1. **Større mellomlagsområder:** IDTechEx har tidligere spådd at på grunn av vanskeligheten med at silisiummellomlag overskrider en 3x trådkorsstørrelsesgrense, vil 2,5D silisiumbroløsninger snart erstatte silisiummellomlag som det primære valget for pakking av HPC-brikker. TSMC er en stor leverandør av 2.5D silisium mellomlag for NVIDIA og andre ledende HPC-utviklere som Google og Amazon, og selskapet annonserte nylig masseproduksjon av sin første generasjon CoWoS_L med en 3,5x trådkorsstørrelse. IDTechEx forventer at denne trenden vil fortsette, med ytterligere fremskritt diskutert i rapporten som dekker store aktører.
2. **Emballasje på panelnivå:** Emballasje på panelnivå har blitt et betydelig fokus, som fremhevet på Taiwan International Semiconductor Exhibition i 2024. Denne pakkemetoden tillater bruk av større mellomlag og bidrar til å redusere kostnadene ved å produsere flere pakker samtidig. Til tross for potensialet, må utfordringer som forvrengningshåndtering fortsatt løses. Den økende fremtredenen gjenspeiler den økende etterspørselen etter større, mer kostnadseffektive mellomlag.
3. **Glass mellomlag:** Glass fremstår som et sterkt kandidatmateriale for å oppnå fine ledninger, sammenlignbare med silisium, med ytterligere fordeler som justerbar CTE og høyere pålitelighet. Mellomlag av glass er også kompatible med emballasje på panelnivå, og tilbyr potensialet for kabling med høy tetthet til mer håndterbare kostnader, noe som gjør det til en lovende løsning for fremtidige emballasjeteknologier.
4. **HBM Hybrid Bonding:** 3D kobber-kobber (Cu-Cu) hybrid bonding er en nøkkelteknologi for å oppnå ultrafin pitch vertikale sammenkoblinger mellom brikker. Denne teknologien har blitt brukt i forskjellige avanserte serverprodukter, inkludert AMD EPYC for stablede SRAM og CPUer, samt MI300-serien for stabling av CPU/GPU-blokker på I/O-matriser. Hybridbinding forventes å spille en avgjørende rolle i fremtidige HBM-fremskritt, spesielt for DRAM-stabler som overstiger 16-Hi eller 20-Hi-lag.
5. **Co-Packaged Optical Devices (CPO):** Med den økende etterspørselen etter høyere datagjennomstrømning og strømeffektivitet, har optisk sammenkoblingsteknologi fått betydelig oppmerksomhet. Co-packaged optical devices (CPO) er i ferd med å bli en nøkkelløsning for å forbedre I/O-båndbredden og redusere energiforbruket. Sammenlignet med tradisjonell elektrisk overføring, gir optisk kommunikasjon flere fordeler, inkludert lavere signaldempning over lange avstander, redusert krysstalefølsomhet og betydelig økt båndbredde. Disse fordelene gjør CPO til et ideelt valg for dataintensive, energieffektive HPC-systemer.
**Nøkkelmarkeder å se på:**
Det primære markedet som driver utviklingen av 2.5D- og 3D-pakketeknologier er utvilsomt høyytelses databehandlingssektoren (HPC). Disse avanserte pakkemetodene er avgjørende for å overvinne begrensningene i Moores lov, og muliggjør flere transistorer, minne og sammenkoblinger innenfor en enkelt pakke. Dekomponeringen av brikker gir også mulighet for optimal utnyttelse av prosessnoder mellom ulike funksjonsblokker, for eksempel å skille I/O-blokker fra prosesseringsblokker, noe som øker effektiviteten ytterligere.
I tillegg til høyytelses databehandling (HPC), forventes også andre markeder å oppnå vekst gjennom bruk av avanserte emballasjeteknologier. I 5G- og 6G-sektorene vil innovasjoner som pakkeantenner og banebrytende brikkeløsninger forme fremtiden for arkitekturer for trådløst aksessnettverk (RAN). Autonome kjøretøy vil også dra nytte av disse teknologiene, siden disse teknologiene støtter integreringen av sensorsuiter og dataenheter for å behandle store datamengder samtidig som de sikrer sikkerhet, pålitelighet, kompakthet, kraft- og termisk styring og kostnadseffektivitet.
Forbrukerelektronikk (inkludert smarttelefoner, smartklokker, AR/VR-enheter, PC-er og arbeidsstasjoner) er i økende grad fokusert på å behandle mer data i mindre rom, til tross for større vekt på kostnader. Avansert halvlederemballasje vil spille en nøkkelrolle i denne trenden, selv om pakkemetodene kan avvike fra de som brukes i HPC.
Innleggstid: 25. oktober 2024