Halvlederemballage har udviklet sig fra traditionelle 1D PCB-design til banebrydende 3D hybridbinding på waferniveau. Denne fremgang tillader sammenkoblingsafstand i det encifrede mikronområde med båndbredder på op til 1000 GB/s, samtidig med at høj energieffektivitet opretholdes. Kernen i avancerede halvlederpakningsteknologier er 2.5D-pakning (hvor komponenter er placeret side om side på et mellemliggende lag) og 3D-pakning (som involverer vertikal stabling af aktive chips). Disse teknologier er afgørende for fremtiden for HPC-systemer.
2.5D emballageteknologi involverer forskellige mellemlagsmaterialer, hver med sine egne fordele og ulemper. Silicium (Si) mellemlag, herunder fuldt passive silicium wafers og lokaliserede silicium broer, er kendt for at give de fineste ledningsegenskaber, hvilket gør dem ideelle til højtydende databehandling. De er dog dyre med hensyn til materialer og fremstilling og står over for begrænsninger i emballageområdet. For at afbøde disse problemer er brugen af lokaliserede siliciumbroer stigende, idet man strategisk anvender silicium, hvor fin funktionalitet er kritisk, samtidig med at områdets begrænsninger håndteres.
Organiske mellemlag, ved hjælp af fan-out støbt plast, er et mere omkostningseffektivt alternativ til silicium. De har en lavere dielektrisk konstant, hvilket reducerer RC-forsinkelse i pakken. På trods af disse fordele kæmper organiske mellemlag for at opnå det samme niveau af reduktion af sammenkoblingsfunktioner som siliciumbaseret emballage, hvilket begrænser deres anvendelse i højtydende computerapplikationer.
Glasmellemlag har vakt betydelig interesse, især efter Intels nylige lancering af glasbaseret testkøretøjsemballage. Glas tilbyder flere fordele, såsom justerbar termisk udvidelseskoefficient (CTE), høj dimensionsstabilitet, glatte og flade overflader og evnen til at understøtte panelfremstilling, hvilket gør det til en lovende kandidat til mellemliggende lag med ledningsevner, der kan sammenlignes med silicium. Men bortset fra tekniske udfordringer er den største ulempe ved glasmellemlag det umodne økosystem og den nuværende mangel på storskala produktionskapacitet. Efterhånden som økosystemet modnes og produktionskapaciteten forbedres, kan glasbaserede teknologier i halvlederemballage se yderligere vækst og adoption.
Med hensyn til 3D-pakningsteknologi er Cu-Cu bump-fri hybridbinding ved at blive en førende innovativ teknologi. Denne avancerede teknik opnår permanente sammenkoblinger ved at kombinere dielektriske materialer (som SiO2) med indlejrede metaller (Cu). Cu-Cu hybridbinding kan opnå mellemrum under 10 mikron, typisk i det encifrede mikronområde, hvilket repræsenterer en væsentlig forbedring i forhold til traditionel mikrobump-teknologi, som har bump-afstande på omkring 40-50 mikron. Fordelene ved hybrid bonding omfatter øget I/O, forbedret båndbredde, forbedret 3D vertikal stabling, bedre strømeffektivitet og reduceret parasiteffekt og termisk modstand på grund af fraværet af bundfyldning. Denne teknologi er dog kompleks at fremstille og har højere omkostninger.
2.5D og 3D emballeringsteknologier omfatter forskellige emballeringsteknikker. I 2.5D-emballage kan det, afhængigt af valget af mellemlagsmaterialer, kategoriseres i siliciumbaserede, organisk-baserede og glasbaserede mellemlag, som vist i figuren ovenfor. Inden for 3D-pakning har udviklingen af mikrobump-teknologi til formål at reducere afstandsdimensioner, men i dag, ved at anvende hybrid bonding-teknologi (en direkte Cu-Cu-forbindelsesmetode), kan enkeltcifrede afstandsdimensioner opnås, hvilket markerer betydelige fremskridt på området .
**Teknologiske nøgletendenser at se:**
1. **Større mellemliggende lagområder:** IDTechEx forudsagde tidligere, at på grund af vanskeligheden med at siliciummellemlag overskrider en 3x sigtekorsstørrelsesgrænse, ville 2,5D siliciumbroløsninger snart erstatte siliciummellemlag som det primære valg til emballering af HPC-chips. TSMC er en stor leverandør af 2.5D silicium-mellemlag til NVIDIA og andre førende HPC-udviklere som Google og Amazon, og virksomheden annoncerede for nylig masseproduktion af sin første generation af CoWoS_L med en 3,5x sigtekorsstørrelse. IDTechEx forventer, at denne tendens vil fortsætte, med yderligere fremskridt diskuteret i sin rapport, der dækker store aktører.
2. ** Emballage på panelniveau:** Emballage på panelniveau er blevet et væsentligt fokus, som fremhævet på Taiwan International Semiconductor Exhibition i 2024. Denne emballeringsmetode giver mulighed for brug af større mellemlag og hjælper med at reducere omkostningerne ved at producere flere pakker samtidigt. På trods af dets potentiale skal udfordringer såsom warpage management stadig løses. Dens stigende fremtræden afspejler den voksende efterspørgsel efter større, mere omkostningseffektive mellemlag.
3. **Glas mellemliggende lag:** Glas fremstår som et stærkt kandidatmateriale til at opnå fine ledninger, der kan sammenlignes med silicium, med yderligere fordele såsom justerbar CTE og højere pålidelighed. Mellemlag af glas er også kompatible med emballage på panelniveau, hvilket giver mulighed for ledninger med høj tæthed til mere håndterbare omkostninger, hvilket gør det til en lovende løsning for fremtidige emballageteknologier.
4. **HBM Hybrid Bonding:** 3D kobber-kobber (Cu-Cu) hybrid bonding er en nøgleteknologi til at opnå ultrafine lodrette sammenkoblinger mellem chips. Denne teknologi er blevet brugt i forskellige avancerede serverprodukter, inklusive AMD EPYC til stablede SRAM og CPU'er, samt MI300-serien til stabling af CPU/GPU-blokke på I/O-matricer. Hybridbinding forventes at spille en afgørende rolle i fremtidige HBM-fremskridt, især for DRAM-stacke, der overstiger 16-Hi eller 20-Hi-lag.
5. **Co-Packaged Optical Devices (CPO):** Med den voksende efterspørgsel efter højere datagennemstrømning og strømeffektivitet har optisk sammenkoblingsteknologi fået betydelig opmærksomhed. Co-packaged optical devices (CPO) er ved at blive en nøgleløsning til at forbedre I/O-båndbredden og reducere energiforbruget. Sammenlignet med traditionel elektrisk transmission tilbyder optisk kommunikation flere fordele, herunder lavere signaldæmpning over lange afstande, reduceret krydstalefølsomhed og betydeligt øget båndbredde. Disse fordele gør CPO til et ideelt valg til dataintensive, energieffektive HPC-systemer.
**Nøglemarkeder at se:**
Det primære marked, der driver udviklingen af 2.5D- og 3D-pakketeknologier, er uden tvivl sektoren for højtydende computere (HPC). Disse avancerede pakkemetoder er afgørende for at overvinde begrænsningerne i Moores lov, hvilket muliggør flere transistorer, hukommelse og sammenkoblinger inden for en enkelt pakke. Nedbrydningen af chips giver også mulighed for optimal udnyttelse af procesknudepunkter mellem forskellige funktionelle blokke, såsom adskillelse af I/O-blokke fra behandlingsblokke, hvilket yderligere forbedrer effektiviteten.
Ud over high-performance computing (HPC) forventes andre markeder også at opnå vækst gennem indførelse af avancerede pakketeknologier. I 5G- og 6G-sektoren vil innovationer såsom pakkeantenner og banebrydende chipløsninger forme fremtiden for trådløse adgangsnetværk (RAN) arkitekturer. Autonome køretøjer vil også gavne, da disse teknologier understøtter integrationen af sensorsuiter og computerenheder til at behandle store mængder data, samtidig med at de sikrer sikkerhed, pålidelighed, kompakthed, strøm- og termisk styring og omkostningseffektivitet.
Forbrugerelektronik (herunder smartphones, smartwatches, AR/VR-enheder, pc'er og arbejdsstationer) er i stigende grad fokuseret på at behandle flere data i mindre rum, på trods af en større vægt på omkostninger. Avanceret halvlederemballage vil spille en nøglerolle i denne tendens, selvom emballeringsmetoderne kan afvige fra dem, der anvendes i HPC.
Indlægstid: 25. oktober 2024