Bilchipindustrien gjennomgår endringer
Nylig diskuterte halvlederingeniørteamet småbrikker, hybridbinding og nye materialer med Michael Kelly, visepresident for Amkors småbrikke- og FCBGA-integrasjon. I diskusjonen deltok også ASE-forsker William Chen, administrerende direktør i Promex Industries, Dick Otte, og Sander Roosendaal, FoU-direktør i Synopsys Photonics Solutions. Nedenfor er utdrag fra denne diskusjonen.
I mange år tok ikke utviklingen av bilbrikker en ledende posisjon i bransjen. Men med fremveksten av elbiler og utviklingen av avanserte infotainmentsystemer har denne situasjonen endret seg dramatisk. Hvilke problemer har du lagt merke til?
Kelly: Avanserte ADAS-systemer (Advanced Driver Assistance Systems) krever prosessorer med en 5-nanometer-prosess eller mindre for å være konkurransedyktige i markedet. Når man først har kommet inn i 5-nanometer-prosessen, må man vurdere waferkostnadene, noe som fører til nøye vurdering av småbrikkeløsninger, da det er vanskelig å produsere store brikker ved 5-nanometer-prosessen. I tillegg er utbyttet lavt, noe som resulterer i ekstremt høye kostnader. Når man har å gjøre med 5-nanometer eller mer avanserte prosesser, vurderer kundene vanligvis å velge en del av 5-nanometer-brikken i stedet for å bruke hele brikken, samtidig som de øker investeringene i pakkefasen. De tenker kanskje: «Ville det være et mer kostnadseffektivt alternativ å oppnå den nødvendige ytelsen på denne måten, i stedet for å prøve å fullføre alle funksjoner i en større brikke?» Så ja, avanserte bilprodusenter følger definitivt med på småbrikketeknologi. Ledende selskaper i bransjen følger dette nøye. Sammenlignet med databehandlingsfeltet er bilindustrien sannsynligvis 2 til 4 år bak i anvendelsen av småbrikketeknologi, men trenden for anvendelsen i bilsektoren er tydelig. Bilindustrien har ekstremt høye krav til pålitelighet, så påliteligheten til småbrikketeknologi må bevises. Imidlertid er storskala anvendelse av småbrikketeknologi innen bilindustrien absolutt på vei.
Chen: Jeg har ikke lagt merke til noen vesentlige hindringer. Jeg tror det handler mer om å måtte lære og forstå de relevante sertifiseringskravene i dybden. Dette går tilbake til metrologinivået. Hvordan produserer vi pakker som oppfyller de ekstremt strenge bilstandardene? Men det er sikkert at den relevante teknologien er i kontinuerlig utvikling.
Gitt de mange termiske problemene og kompleksiteten knyttet til flerkomponentkomponenter, vil det komme nye stresstestprofiler eller forskjellige typer tester? Kan de nåværende JEDEC-standardene dekke slike integrerte systemer?
Chen: Jeg mener vi må utvikle mer omfattende diagnostiske metoder for å tydelig identifisere kilden til feil. Vi har diskutert å kombinere metrologi med diagnostikk, og vi har et ansvar for å finne ut hvordan vi kan bygge mer robuste pakker, bruke materialer og prosesser av høyere kvalitet, og validere dem.
Kelly: Nå for tiden gjennomfører vi casestudier med kunder som har lært noe av systemnivåtesting, spesielt temperaturpåvirkningstesting i funksjonelle korttester, noe som ikke dekkes av JEDEC-testing. JEDEC-testing er kun isotermisk testing, som involverer "temperaturstigning, -fall og temperaturovergang". Temperaturfordelingen i faktiske pakker er imidlertid langt fra det som skjer i den virkelige verden. Flere og flere kunder ønsker å gjennomføre systemnivåtesting tidlig fordi de forstår denne situasjonen, selv om ikke alle er klar over den. Simuleringsteknologi spiller også en rolle her. Hvis man er dyktig i termisk-mekanisk kombinasjonssimulering, blir det enklere å analysere problemer fordi man vet hvilke aspekter man skal fokusere på under testingen. Systemnivåtesting og simuleringsteknologi utfyller hverandre. Denne trenden er imidlertid fortsatt i en tidlig fase.
Er det flere termiske problemer å ta tak i ved modne teknologinoder enn tidligere?
Otte: Ja, men de siste par årene har koplanaritetsproblemer blitt stadig mer fremtredende. Vi ser 5000 til 10 000 kobberpilarer på en brikke, plassert mellom 50 mikron og 127 mikron fra hverandre. Hvis du nøye undersøker de relevante dataene, vil du oppdage at det å plassere disse kobberpilarene på substratet og utføre oppvarming, kjøling og reflow-lodding krever at man oppnår omtrent én del av hundre tusen koplanaritetspresisjon. Én del av hundre tusen presisjon er som å finne et gresstrå innenfor lengden av en fotballbane. Vi har kjøpt noen høytytende Keyence-verktøy for å måle flatheten til brikken og substratet. Det påfølgende spørsmålet er selvfølgelig hvordan man kontrollerer dette vridningsfenomenet under reflow-loddingsyklusen? Dette er et presserende problem som må tas opp.
Chen: Jeg husker diskusjoner om Ponte Vecchio, der de brukte lavtemperaturlodding av monteringshensyn snarere enn ytelseshensyn.
Gitt at alle kretsene i nærheten fortsatt har termiske problemer, hvordan bør fotonikk integreres i dette?
Roosendaal: Termisk simulering må utføres for alle aspekter, og høyfrekvent utvinning er også nødvendig fordi signalene som kommer inn er høyfrekvente signaler. Derfor må problemer som impedanstilpasning og riktig jording tas opp. Det kan være betydelige temperaturgradienter, som kan eksistere i selve brikken eller mellom det vi kaller "E"-brikken (elektrisk brikk) og "P"-brikken (fotonbrikken). Jeg er nysgjerrig på om vi trenger å dykke dypere inn i de termiske egenskapene til lim.
Dette reiser diskusjoner om limingsmaterialer, valg av disse og stabilitet over tid. Det er tydelig at hybrid limingsteknologi har blitt brukt i den virkelige verden, men den har ennå ikke blitt brukt til masseproduksjon. Hva er den nåværende statusen for denne teknologien?
Kelly: Alle parter i forsyningskjeden følger med på hybridbindingsteknologi. For tiden ledes denne teknologien hovedsakelig av støperier, men OSAT-selskaper (Outsourced Semiconductor Assembly and Test) studerer også seriøst dens kommersielle bruksområder. Klassiske kobberhybriddielektriske bindingskomponenter har gjennomgått langsiktig validering. Hvis renslighet kan kontrolleres, kan denne prosessen produsere svært robuste komponenter. Den har imidlertid ekstremt høye renhetskrav, og kapitalutstyrskostnadene er svært høye. Vi opplevde tidlige applikasjonsforsøk i AMDs Ryzen-produktlinje, der mesteparten av SRAM brukte kobberhybridbindingsteknologi. Jeg har imidlertid ikke sett mange andre kunder bruke denne teknologien. Selv om den er på teknologiplanene til mange selskaper, ser det ut til at det vil ta noen år til før de relaterte utstyrspakkene oppfyller uavhengige renhetskrav. Hvis den kan brukes i et fabrikkmiljø med litt lavere renslighet enn en typisk waferfabrikk, og hvis lavere kostnader kan oppnås, vil kanskje denne teknologien få mer oppmerksomhet.
Chen: Ifølge statistikken min vil minst 37 artikler om hybridbinding bli presentert på ECTC-konferansen i 2024. Dette er en prosess som krever mye ekspertise og involverer en betydelig mengde finoperasjoner under montering. Så denne teknologien vil definitivt få bred anvendelse. Det finnes allerede noen anvendelsestilfeller, men i fremtiden vil den bli mer utbredt på tvers av ulike felt.
Når du nevner «fin drift», mener du da behovet for betydelige økonomiske investeringer?
Chen: Selvfølgelig krever det tid og ekspertise. Å utføre denne operasjonen krever et veldig rent miljø, noe som nødvendiggjør økonomiske investeringer. Det krever også relatert utstyr, som også krever finansiering. Så dette innebærer ikke bare driftskostnader, men også investeringer i fasiliteter.
Kelly: I tilfeller med en avstand på 15 mikron eller større, er det betydelig interesse for å bruke wafer-til-wafer-teknologi i kobberpilarer. Ideelt sett er waferne flate, og chipstørrelsene er ikke veldig store, noe som gir høy kvalitet på reflow for noen av disse avstandene. Selv om dette byr på noen utfordringer, er det mye billigere enn å satse på kobberhybridbindingsteknologi. Men hvis presisjonskravet er 10 mikron eller lavere, endrer situasjonen seg. Selskaper som bruker chip stacking-teknologi vil oppnå ensifrede mikronavstander, for eksempel 4 eller 5 mikron, og det finnes ikke noe alternativ. Derfor vil den relevante teknologien uunngåelig utvikles. Imidlertid forbedres også eksisterende teknologier kontinuerlig. Så nå fokuserer vi på grensene som kobberpilarer kan strekke seg til, og om denne teknologien vil vare lenge nok til at kundene utsetter alle design- og "kvalifiserings"-utviklingsinvesteringer i ekte kobberhybridbindingsteknologi.
Chen: Vi vil bare ta i bruk relevante teknologier når det er etterspørsel.
Er det mange nye utviklinger innen epoxy-støpemasse for tiden?
Kelly: Støpemasser har gjennomgått betydelige endringer. Deres CTE (termisk ekspansjonskoeffisient) har blitt kraftig redusert, noe som gjør dem mer gunstige for relevante applikasjoner fra et trykkperspektiv.
Otte: For å gå tilbake til vår forrige diskusjon, hvor mange halvlederbrikker produseres for tiden med 1 eller 2 mikrons avstand?
Kelly: En betydelig andel.
Chen: Sannsynligvis mindre enn 1 %.
Otte: Så teknologien vi diskuterer er ikke vanlig. Den er ikke i forskningsfasen, ettersom ledende selskaper riktignok bruker denne teknologien, men den er kostbar og har lav avkastning.
Kelly: Dette brukes hovedsakelig i høyytelsesdatabehandling. I dag brukes det ikke bare i datasentre, men også i avanserte PC-er og til og med noen håndholdte enheter. Selv om disse enhetene er relativt små, har de fortsatt høy ytelse. I den bredere konteksten av prosessorer og CMOS-applikasjoner er andelen imidlertid fortsatt relativt liten. For vanlige brikkeprodusenter er det ikke nødvendig å ta i bruk denne teknologien.
Otte: Derfor er det overraskende at denne teknologien kommer inn i bilindustrien. Biler trenger ikke at brikkene er ekstremt små. De kan forbli på 20- eller 40-nanometer-prosesser, ettersom kostnaden per transistor i halvledere er lavest i denne prosessen.
Kelly: Beregningskravene for ADAS eller autonom kjøring er imidlertid de samme som for AI-PC-er eller lignende enheter. Derfor må bilindustrien investere i disse banebrytende teknologiene.
Hvis produktsyklusen er fem år, kan det å ta i bruk nye teknologier forlenge fordelen med ytterligere fem år?
Kelly: Det er et veldig rimelig poeng. Bilindustrien har en annen vinkel. Tenk på enkle servokontrollere eller relativt enkle analoge enheter som har eksistert i 20 år og er svært rimelige. De bruker små brikker. Folk i bilindustrien ønsker å fortsette å bruke disse produktene. De ønsker bare å investere i svært avanserte dataenheter med digitale små brikker og muligens koble dem til rimelige analoge brikker, flashminne og RF-brikker. For dem gir småbrikkemodellen mye mening fordi de kan beholde mange rimelige, stabile deler av eldre generasjon. De verken ønsker å endre disse delene eller trenger å gjøre det. Deretter trenger de bare å legge til en avansert liten brikke på 5 nanometer eller 3 nanometer for å oppfylle funksjonene til ADAS-delen. Faktisk bruker de ulike typer små brikker i ett produkt. I motsetning til PC- og databehandlingsfeltene har bilindustrien et mer variert utvalg av applikasjoner.
Chen: Dessuten trenger ikke disse brikkene å installeres ved siden av motoren, så miljøforholdene er relativt bedre.
Kelly: Omgivelsestemperaturen i biler er ganske høy. Derfor, selv om brikkens effekt ikke er spesielt høy, må bilindustrien investere noen midler i gode termiske styringsløsninger, og kan til og med vurdere å bruke indium TIM (termiske grensesnittmaterialer) fordi miljøforholdene er svært tøffe.
Publisert: 28. april 2025