Průmysl automobilových čipů prochází změnami
Tým polovodičových inženýrů nedávno diskutoval s Michaelem Kellym, viceprezidentem pro malé čipy a integraci FCBGA ve společnosti Amkor, o malých čipech, hybridních vazbách a nových materiálech. Diskuse se zúčastnili také výzkumník ASE William Chen, generální ředitel společnosti Promex Industries Dick Otte a Sander Roosendaal, ředitel výzkumu a vývoje společnosti Synopsys Photonics Solutions. Níže uvádíme výňatky z této diskuse.
Po mnoho let vývoj automobilových čipů nezaujímal v tomto odvětví vedoucí postavení. S nástupem elektromobilů a rozvojem pokročilých infotainmentových systémů se však tato situace dramaticky změnila. Jakých problémů jste si všimli?
Kelly: Špičkové systémy ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) vyžadují procesory s 5nanometrovým nebo menším procesem, aby byly na trhu konkurenceschopné. Jakmile vstoupíte do 5nanometrového procesu, musíte zvážit náklady na wafery, což vede k pečlivému zvážení řešení s malými čipy, protože je obtížné vyrábět velké čipy v 5nanometrovém procesu. Navíc je výtěžnost nízká, což má za následek extrémně vysoké náklady. Při práci s 5nanometrovými nebo pokročilejšími procesy zákazníci obvykle zvažují výběr části 5nanometrového čipu spíše než použití celého čipu, a zároveň zvyšují investice do fáze balení. Mohou si říkat: „Bylo by to nákladově efektivnější řešení, jak dosáhnout požadovaného výkonu tímto způsobem, než se snažit dokončit všechny funkce ve větším čipu?“ Takže ano, špičkové automobilové společnosti rozhodně věnují pozornost technologii malých čipů. Přední společnosti v oboru tuto situaci bedlivě sledují. Ve srovnání s výpočetní technikou je automobilový průmysl v aplikaci technologie malých čipů pravděpodobně o 2 až 4 roky pozadu, ale trend její aplikace v automobilovém sektoru je jasný. Automobilový průmysl má extrémně vysoké požadavky na spolehlivost, takže spolehlivost technologie malých čipů musí být prokázána. Rozsáhlé využití technologie malých čipů v automobilovém průmyslu je však jistě na cestě.
Chen: Nezaznamenal jsem žádné významné překážky. Myslím, že jde spíše o potřebu se do hloubky naučit a porozumět příslušným certifikačním požadavkům. To sahá až k úrovni metrologie. Jak vyrábíme obaly, které splňují extrémně přísné automobilové normy? Je však jisté, že příslušná technologie se neustále vyvíjí.
Vzhledem k mnoha tepelným problémům a složitostem spojeným s vícečipovými komponentami, budou existovat nové profily zátěžových testů nebo různé typy testů? Mohou současné normy JEDEC zahrnovat takové integrované systémy?
Chen: Věřím, že musíme vyvinout komplexnější diagnostické metody, abychom jasně identifikovali zdroj selhání. Diskutovali jsme o kombinaci metrologie s diagnostikou a máme zodpovědnost zjistit, jak vytvářet robustnější pouzdra, používat kvalitnější materiály a procesy a jak je validovat.
Kelly: V současné době provádíme případové studie se zákazníky, kteří se něco naučili z testování na úrovni systému, zejména z testování teplotních vlivů ve funkčních testech desek, což testování JEDEC nepokrývá. Testování JEDEC je pouze izotermické testování, které zahrnuje „nárůst, pokles a teplotní přechod“. Rozložení teploty ve skutečných pouzdrech se však od toho, co se děje v reálném světě, daleko liší. Stále více zákazníků chce provádět testování na úrovni systému v rané fázi, protože této situaci rozumí, i když ne každý si jí je vědom. Svou roli zde hraje i simulační technologie. Pokud je člověk zběhlý v kombinované tepelně-mechanické simulaci, analýza problémů se stává snazší, protože ví, na jaké aspekty se během testování zaměřit. Testování na úrovni systému a simulační technologie se vzájemně doplňují. Tento trend je však stále v raných fázích.
Je v uzlech s vyspělou technologií třeba řešit více tepelných problémů než v minulosti?
Otte: Ano, ale v posledních několika letech se problémy s koplanaritou staly stále výraznějšími. Na čipu vidíme 5 000 až 10 000 měděných sloupků, které jsou od sebe vzdáleny 50 až 127 mikronů. Pokud se podrobněji podíváte na příslušná data, zjistíte, že umístění těchto měděných sloupků na substrát a provedení operací ohřevu, chlazení a pájení reflow vyžaduje dosažení přesnosti koplanarity přibližně jedné stotisícové části. Přesnost jedna stotisícová část je jako najít stéblo trávy v délce fotbalového hřiště. Zakoupili jsme několik vysoce výkonných přístrojů Keyence pro měření rovinnosti čipu a substrátu. Samozřejmě, vyvstává otázka, jak kontrolovat tento jev deformace během cyklu pájení reflow? Toto je naléhavý problém, který je třeba řešit.
Chen: Pamatuji si diskuse o Ponte Vecchio, kde použili nízkoteplotní pájení spíše z důvodu montáže než z důvodu výkonu.
Vzhledem k tomu, že všechny obvody v okolí stále mají tepelné problémy, jak by se do toho měla integrovat fotonika?
Roosendaal: Tepelnou simulaci je třeba provést pro všechny aspekty a extrakce vysokých frekvencí je také nezbytná, protože vstupující signály jsou vysokofrekvenční signály. Proto je třeba řešit otázky, jako je impedanční přizpůsobení a správné uzemnění. Mohou existovat značné teplotní gradienty, které mohou existovat uvnitř samotného čipu nebo mezi tím, čemu říkáme „E“ čip (elektrický čip) a „P“ čip (fotonový čip). Zajímalo by mě, zda se musíme hlouběji ponořit do tepelných vlastností lepidel.
To vyvolává diskuse o spojovacím materiálu, jeho výběru a stabilitě v čase. Je zřejmé, že technologie hybridního spojování byla v reálném světě aplikována, ale dosud nebyla použita pro hromadnou výrobu. Jaký je současný stav této technologie?
Kelly: Všechny strany v dodavatelském řetězci věnují pozornost technologii hybridního spojování. V současné době je tato technologie využívána především ve slévárnách, ale společnosti OSAT (Outsourcing Semiconductor Assembly and Test) také vážně studují její komerční aplikace. Klasické měděné hybridní dielektrické spojovací komponenty prošly dlouhodobou validací. Pokud lze kontrolovat čistotu, může tento proces produkovat velmi robustní komponenty. Má však extrémně vysoké požadavky na čistotu a kapitálové náklady na zařízení jsou velmi vysoké. První pokusy o aplikaci jsme zažili v produktové řadě Ryzen od AMD, kde většina SRAM používala technologii hybridního spojování mědí. Neviděl jsem však mnoho dalších zákazníků, kteří by tuto technologii používali. Ačkoli je na technologických plánech mnoha společností, zdá se, že bude trvat ještě několik let, než související sady zařízení splní nezávislé požadavky na čistotu. Pokud ji lze aplikovat v továrním prostředí s mírně nižší čistotou než typická továrna na destičky a pokud lze dosáhnout nižších nákladů, pak se této technologii možná dostane větší pozornosti.
Chen: Podle mých statistik bude na konferenci ECTC 2024 prezentováno nejméně 37 článků o hybridním lepení. Jedná se o proces, který vyžaduje mnoho odborných znalostí a zahrnuje značné množství jemných operací během montáže. Tato technologie se tedy rozhodně dočká širokého uplatnění. Již nyní existují určité případy použití, ale v budoucnu se v různých oblastech rozšíří.
Když zmiňujete „jemné operace“, máte na mysli potřebu značných finančních investic?
Chen: Samozřejmě to zahrnuje čas a odborné znalosti. Provedení této operace vyžaduje velmi čisté prostředí, což si žádá finanční investice. Vyžaduje to také související vybavení, které podobně vyžaduje financování. To tedy zahrnuje nejen provozní náklady, ale také investice do zařízení.
Kelly: V případech s roztečí 15 mikronů nebo větší je značný zájem o použití technologie spojování měděných sloupků mezi destičkami. V ideálním případě jsou destičky ploché a velikosti čipů nejsou příliš velké, což umožňuje vysoce kvalitní přetavování pro některé z těchto roztečí. I když to představuje určité výzvy, je to mnohem levnější než použití technologie hybridního spojování mědi. Pokud je však požadavek na přesnost 10 mikronů nebo méně, situace se mění. Společnosti používající technologii stohování čipů dosáhnou jednociferných mikronových roztečí, například 4 nebo 5 mikronů, a neexistuje žádná alternativa. Proto se příslušná technologie nevyhnutelně bude vyvíjet. Stávající technologie se však také neustále zlepšují. Nyní se tedy zaměřujeme na limity, do kterých se měděné sloupky mohou rozšířit, a na to, zda tato technologie vydrží dostatečně dlouho, aby zákazníci odložili veškeré investice do návrhu a „kvalifikačního“ vývoje skutečné technologie hybridního spojování mědi.
Chen: Relevantní technologie budeme zavádět pouze tehdy, když bude poptávka.
Existuje v současné době mnoho nových vývojů v oblasti epoxidových formovacích směsí?
Kelly: Tvarovací směsi prošly významnými změnami. Jejich koeficient tepelné roztažnosti (CTE) se výrazně snížil, což je z hlediska tlaku činí výhodnějšími pro relevantní aplikace.
Otte: Vraťme se k naší předchozí diskusi, kolik polovodičových čipů se v současnosti vyrábí s roztečí 1 nebo 2 mikrony?
Kelly: Významná část.
Chen: Pravděpodobně méně než 1 %.
Otte: Technologie, o které diskutujeme, tedy není běžná. Není ve fázi výzkumu, protože přední společnosti tuto technologii sice používají, ale je nákladná a má nízké výnosy.
Kelly: Toto se uplatňuje hlavně ve vysoce výkonných výpočtech. V dnešní době se používá nejen v datových centrech, ale také ve špičkových počítačích a dokonce i v některých kapesních zařízeních. Přestože jsou tato zařízení relativně malá, stále mají vysoký výkon. V širším kontextu procesorů a aplikací CMOS však jejich podíl zůstává relativně malý. Pro běžné výrobce čipů není důvod tuto technologii zavádět.
Otte: Proto je překvapivé, že se tato technologie dostává do automobilového průmyslu. Auta nepotřebují extrémně malé čipy. Mohou zůstat u 20 nebo 40 nanometrových procesů, protože náklady na tranzistor v polovodičích jsou u tohoto procesu nejnižší.
Kelly: Výpočetní požadavky pro systémy ADAS nebo autonomní řízení jsou však stejné jako pro počítače s umělou inteligencí nebo podobná zařízení. Automobilový průmysl proto musí investovat do těchto špičkových technologií.
Pokud je produktový cyklus pětiletý, mohlo by přijetí nových technologií prodloužit tuto výhodu o dalších pět let?
Kelly: To je velmi rozumný argument. Automobilový průmysl má jiný úhel pohledu. Vezměme si jednoduché servo regulátory nebo relativně jednoduchá analogová zařízení, která existují již 20 let a jsou velmi levná. Používají malé čipy. Lidé v automobilovém průmyslu chtějí tyto produkty i nadále používat. Chtějí investovat pouze do velmi špičkových výpočetních zařízení s malými digitálními čipy a případně je spárovat s levnými analogovými čipy, flash pamětí a RF čipy. Pro ně dává model s malým čipem velký smysl, protože si mohou ponechat mnoho levných, stabilních součástek starší generace. Tyto součástky ani nechtějí, ani nemusí měnit. Pak jim stačí přidat špičkový 5nanometrový nebo 3nanometrový malý čip, který bude plnit funkce části ADAS. Ve skutečnosti používají různé typy malých čipů v jednom produktu. Na rozdíl od počítačů a výpočetní techniky má automobilový průmysl pestřejší škálu aplikací.
Chen: Navíc tyto čipy nemusí být instalovány vedle motoru, takže podmínky prostředí jsou relativně lepší.
Kelly: Teplota prostředí v autech je poměrně vysoká. Proto i když výkon čipu není nijak zvlášť vysoký, musí automobilový průmysl investovat určité prostředky do dobrých řešení pro tepelný management a může dokonce zvážit použití india TIM (tepelně vodivých materiálů), protože podmínky prostředí jsou velmi drsné.
Čas zveřejnění: 28. dubna 2025