Balení polovodičů se vyvinulo z tradičních návrhů 1D PCB na špičkové 3D hybridní spojování na úrovni waferů. Tento pokrok umožňuje propojovací rozestupy v rozsahu jednomístných mikronů, s šířkou pásma až 1000 GB/s, při zachování vysoké energetické účinnosti. Jádrem pokročilých technologií balení polovodičů jsou 2,5D balení (kde jsou komponenty umístěny vedle sebe na prostřední vrstvě) a 3D balení (které zahrnuje vertikální skládání aktivních čipů). Tyto technologie jsou klíčové pro budoucnost systémů HPC.
Technologie 2.5D balení zahrnuje různé materiály mezivrstvy, z nichž každý má své výhody a nevýhody. Křemíkové (Si) mezivrstvy, včetně plně pasivních křemíkových plátků a lokalizovaných křemíkových můstků, jsou známé tím, že poskytují nejjemnější možnosti zapojení, díky čemuž jsou ideální pro vysoce výkonné výpočty. Jsou však nákladné z hlediska materiálů a výroby a čelí omezením v oblasti balení. Ke zmírnění těchto problémů se zvyšuje používání lokalizovaných křemíkových můstků, které strategicky využívají křemík tam, kde je kritická jemná funkčnost při řešení omezení oblasti.
Organické mezivrstvy využívající vějířovitě tvarované plasty jsou cenově výhodnější alternativou křemíku. Mají nižší dielektrickou konstantu, což snižuje zpoždění RC v pouzdře. Navzdory těmto výhodám se organické prostřední vrstvy snaží dosáhnout stejné úrovně redukce propojovacích prvků jako obaly na bázi křemíku, což omezuje jejich přijetí ve vysoce výkonných počítačových aplikacích.
Zprostředkující vrstvy skla získaly značný zájem, zejména po nedávném uvedení obalů testovacích vozidel na bázi skla Intel. Sklo nabízí několik výhod, jako je nastavitelný koeficient tepelné roztažnosti (CTE), vysoká rozměrová stabilita, hladké a rovné povrchy a schopnost podporovat výrobu panelů, což z něj činí slibného kandidáta na mezivrstvy s elektroinstalačními schopnostmi srovnatelnými s křemíkem. Kromě technických problémů je však hlavní nevýhodou mezivrstvy skla nevyzrálý ekosystém a současný nedostatek kapacit ve velkém měřítku. Jak ekosystém dospívá a produkční schopnosti se zlepšují, technologie na bázi skla v polovodičovém balení mohou zaznamenat další růst a přijetí.
Pokud jde o technologii 3D balení, hybridní spojování Cu-Cu bez nárazů se stává přední inovativní technologií. Tato pokročilá technika dosahuje trvalého propojení kombinací dielektrických materiálů (jako SiO2) s vloženými kovy (Cu). Hybridní spojování Cu-Cu může dosáhnout rozestupů pod 10 mikronů, typicky v rozsahu jednociferných mikronů, což představuje významné zlepšení oproti tradiční technologii mikrobumpů, která má rozestupy hrbolků asi 40-50 mikronů. Mezi výhody hybridního propojení patří zvýšené I/O, rozšířená šířka pásma, vylepšené 3D vertikální stohování, lepší energetická účinnost a snížené parazitní efekty a tepelný odpor díky absenci spodního plnění. Tato technologie je však složitá na výrobu a má vyšší náklady.
2.5D a 3D balicí technologie zahrnují různé balicí techniky. V 2,5D balení, v závislosti na volbě materiálů mezivrstvy, je lze rozdělit na mezivrstvy na bázi křemíku, organické a skleněné, jak je znázorněno na obrázku výše. V oblasti 3D balení je cílem vývoje technologie mikrobumpů zmenšit rozměry rozteče, ale dnes lze použitím technologie hybridního spojování (přímá metoda spojení Cu-Cu) dosáhnout jednomístných rozměrů mezer, což znamená významný pokrok v této oblasti. .
**Klíčové technologické trendy ke sledování:**
1. **Větší oblasti prostřední vrstvy:** IDTechEx dříve předpověděl, že kvůli obtížnosti křemíkových prostředních vrstev překračujících trojnásobný limit velikosti nitkového kříže řešení 2,5D křemíkového můstku brzy nahradí křemíkové prostřední vrstvy jako primární volbu pro balení HPC čipů. TSMC je hlavním dodavatelem 2,5D křemíkových prostředních vrstev pro NVIDIA a další přední vývojáře HPC, jako je Google a Amazon, a společnost nedávno oznámila hromadnou výrobu své první generace CoWoS_L s 3,5násobnou velikostí nitkového kříže. IDTechEx očekává, že tento trend bude pokračovat, přičemž další pokroky budou diskutovány ve své zprávě týkající se hlavních hráčů.
2. **Obaly na úrovni panelů:** Obaly na úrovni panelů se staly významným tématem, jak bylo zdůrazněno na tchajwanské mezinárodní výstavě polovodičů v roce 2024. Tento způsob balení umožňuje použití větších mezilehlých vrstev a pomáhá snižovat náklady tím, že vyrábí více balení současně. Navzdory svému potenciálu je stále třeba řešit problémy, jako je správa warpage. Jeho rostoucí význam odráží rostoucí poptávku po větších, nákladově efektivnějších zprostředkovatelských vrstvách.
3. **Zprostředkující vrstvy skla:** Sklo se objevuje jako silný kandidátský materiál pro dosažení jemné kabeláže, srovnatelné s křemíkem, s dalšími výhodami, jako je nastavitelný CTE a vyšší spolehlivost. Skleněné mezivrstvy jsou také kompatibilní s balením na úrovni panelů, což nabízí potenciál pro vysokohustotní kabeláž za lépe zvládnutelné náklady, což z něj činí slibné řešení pro budoucí obalové technologie.
4. **Hybridní spojování HBM:** 3D hybridní spojování měď-měď (Cu-Cu) je klíčovou technologií pro dosažení ultrajemných vertikálních propojení mezi čipy. Tato technologie byla použita v různých špičkových serverových produktech, včetně AMD EPYC pro vrstvené SRAM a CPU, stejně jako u řady MI300 pro stohování CPU/GPU bloků na I/O matricích. Očekává se, že hybridní spojování bude hrát klíčovou roli v budoucím vývoji HBM, zejména u zásobníků DRAM přesahujících 16-Hi nebo 20-Hi vrstev.
5. **Co-Packaged Optical Devices (CPO):** S rostoucí poptávkou po vyšší propustnosti dat a energetické účinnosti si technologie optického propojení získala značnou pozornost. Co-packaged optická zařízení (CPO) se stávají klíčovým řešením pro rozšíření I/O šířky pásma a snížení spotřeby energie. Ve srovnání s tradičním elektrickým přenosem nabízí optická komunikace několik výhod, včetně nižšího útlumu signálu na dlouhé vzdálenosti, snížené citlivosti přeslechů a výrazně větší šířky pásma. Tyto výhody dělají z CPO ideální volbu pro datově náročné a energeticky účinné systémy HPC.
**Klíčové trhy ke sledování:**
Primárním trhem, který řídí vývoj 2,5D a 3D obalových technologií, je bezesporu sektor vysoce výkonných počítačů (HPC). Tyto pokročilé metody balení jsou klíčové pro překonání omezení Moorova zákona, umožňující více tranzistorů, paměti a propojení v rámci jednoho balíku. Rozklad čipů také umožňuje optimální využití procesních uzlů mezi různými funkčními bloky, jako je oddělení I/O bloků od bloků zpracování, což dále zvyšuje efektivitu.
Kromě vysoce výkonných počítačů (HPC) se očekává, že i další trhy dosáhnou růstu díky přijetí pokročilých technologií balení. V sektorech 5G a 6G budou inovace, jako jsou obalové antény a špičková čipová řešení, utvářet budoucnost architektur bezdrátových přístupových sítí (RAN). Autonomní vozidla budou také těžit, protože tyto technologie podporují integraci sad senzorů a výpočetních jednotek pro zpracování velkého množství dat při současném zajištění bezpečnosti, spolehlivosti, kompaktnosti, správy napájení a teploty a nákladové efektivity.
Spotřební elektronika (včetně chytrých telefonů, chytrých hodinek, zařízení AR/VR, počítačů a pracovních stanic) se stále více zaměřuje na zpracování většího množství dat v menších prostorách, a to i přes větší důraz na náklady. Klíčovou roli v tomto trendu bude hrát pokročilé balení polovodičů, i když se způsoby balení mohou lišit od způsobů používaných v HPC.
Čas odeslání: 25. října 2024