Halvlederpakning har udviklet sig fra traditionelle 1D PCB-designs til banebrydende 3D hybridbinding på waferniveau. Denne udvikling muliggør forbindelsesafstand 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 placeres 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-pakketeknologi involverer forskellige mellemlagsmaterialer, der hver har sine egne fordele og ulemper. Mellemlag af silicium (Si), herunder fuldt passive siliciumwafere og lokaliserede siliciumbroer, er kendt for at levere de bedste ledningsføringsegenskaber, hvilket gør dem ideelle til højtydende databehandling. De er dog dyre med hensyn til materialer og fremstilling og har begrænsninger i pakkeområdet. For at afbøde disse problemer er brugen af lokaliserede siliciumbroer stigende, hvor der strategisk anvendes silicium, hvor fin funktionalitet er kritisk, samtidig med at arealbegrænsninger imødekommes.
Organiske mellemlag, der bruger fan-out støbte plasttyper, er et mere omkostningseffektivt alternativ til silicium. De har en lavere dielektricitetskonstant, hvilket reducerer RC-forsinkelsen i pakken. Trods disse fordele har organiske mellemlag svært ved at opnå samme niveau af reduktion af sammenkoblingsfunktioner som siliciumbaseret pakning, hvilket begrænser deres anvendelse i højtydende computerapplikationer.
Glasmellemlag har vakt betydelig interesse, især efter Intels nylige lancering af glasbaseret testkøretøjsemballage. Glas tilbyder adskillige 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 mellemlag med ledningsføringsmuligheder, der kan sammenlignes med silicium. 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 inden for halvlederemballage opleve yderligere vækst og anvendelse.
Inden for 3D-pakketeknologi er Cu-Cu bump-less hybrid bonding ved at blive en førende innovativ teknologi. Denne avancerede teknik opnår permanente forbindelser ved at kombinere dielektriske materialer (som SiO2) med indlejrede metaller (Cu). Cu-Cu hybrid bonding kan opnå afstande under 10 mikron, typisk i det encifrede mikronområde, hvilket repræsenterer en betydelig forbedring i forhold til traditionel mikro-bump-teknologi, som har bump-afstande på omkring 40-50 mikron. Fordelene ved hybrid bonding omfatter øget I/O, forbedret båndbredde, forbedret 3D lodret stabling, bedre energieffektivitet og reducerede parasitiske effekter og termisk modstand på grund af fraværet af bundfyldning. Denne teknologi er dog kompleks at fremstille og har højere omkostninger.
2,5D- og 3D-emballageteknologier omfatter forskellige emballageteknikker. Afhængigt af valget af mellemlagsmaterialer kan 2,5D-emballage kategoriseres i siliciumbaserede, organisk baserede og glasbaserede mellemlag, som vist på figuren ovenfor. Inden for 3D-emballage sigter udviklingen af mikrobumpteknologi mod at reducere afstandsdimensioner, men i dag kan man ved at anvende hybridbindingsteknologi (en direkte Cu-Cu-forbindelsesmetode) opnå encifrede afstandsdimensioner, hvilket markerer betydelige fremskridt inden for området.
**Vigtige teknologiske tendenser at holde øje med:**
1. **Større mellemliggende lagområder:** IDTechEx forudsagde tidligere, at på grund af vanskelighederne med siliciummellemlag, der overstiger en 3x retikelstørrelsesgrænse, ville 2,5D siliciumbroløsninger snart erstatte siliciummellemlag som det primære valg til pakning af HPC-chips. TSMC er en stor leverandør af 2,5D siliciummellemlag 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 retikelstørrelse. IDTechEx forventer, at denne tendens vil fortsætte, med yderligere fremskridt, der diskuteres i deres rapport, der dækker store aktører.
2. **Panel-niveau emballage:** Panel-niveau emballage er blevet et betydeligt fokusområde, som fremhævet på Taiwan International Semiconductor Exhibition i 2024. Denne emballagemetode muliggør brugen af større mellemlag og hjælper med at reducere omkostningerne ved at producere flere pakker samtidigt. Trods dens potentiale skal udfordringer som f.eks. håndtering af warpage stadig løses. Dens stigende fremtrædende plads afspejler den stigende efterspørgsel efter større, mere omkostningseffektive mellemlag.
3. **Mellemliggende glaslag:** Glas er ved at blive et stærkt kandidatmateriale til at opnå fin ledningsføring, sammenlignelig med silicium, med yderligere fordele såsom justerbar CTE og højere pålidelighed. Mellemliggende glaslag er også kompatible med panelniveauemballage, hvilket giver potentiale for ledningsføring med høj tæthed til mere håndterbare omkostninger, hvilket gør det til en lovende løsning til fremtidige emballageteknologier.
4. **HBM Hybrid Bonding:** 3D kobber-kobber (Cu-Cu) hybridbinding er en nøgleteknologi til at opnå ultrafine vertikale forbindelser mellem chips. Denne teknologi er blevet brugt i forskellige high-end serverprodukter, herunder AMD EPYC til stablede SRAM og CPU'er, samt MI300-serien til stabling af CPU/GPU-blokke på I/O-dies. Hybridbinding forventes at spille en afgørende rolle i fremtidige HBM-fremskridt, især for DRAM-stakke, der overstiger 16-Hi eller 20-Hi lag.
5. **Co-packaged optical devices (CPO):** Med den stigende efterspørgsel efter højere datagennemstrømning og energieffektivitet 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 adskillige 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.
**Vigtige markeder at holde øje med:**
Det primære marked, der driver udviklingen af 2,5D- og 3D-pakketeknologier, er uden tvivl sektoren for højtydende databehandling (HPC). Disse avancerede pakkemetoder er afgørende for at overvinde begrænsningerne i Moores lov og muliggøre flere transistorer, hukommelse og sammenkoblinger inden for en enkelt pakke. Nedbrydningen af chips muliggør også optimal udnyttelse af procesnoder mellem forskellige funktionelle blokke, såsom at adskille I/O-blokke fra behandlingsblokke, hvilket yderligere forbedrer effektiviteten.
Ud over højtydende databehandling (HPC) forventes andre markeder også at opnå vækst gennem implementering af avancerede pakningsteknologier. Inden for 5G- og 6G-sektorerne vil innovationer som pakningsantenner og banebrydende chipløsninger forme fremtiden for trådløse adgangsnetværksarkitekturer (RAN). Selvkørende køretøjer vil også drage fordel, da disse teknologier understøtter integrationen af sensorsuiter og computerenheder til at behandle store mængder data, samtidig med at sikkerhed, pålidelighed, kompakthed, strøm- og temperaturstyring samt omkostningseffektivitet sikres.
Forbrugerelektronik (herunder smartphones, smartwatches, AR/VR-enheder, pc'er og arbejdsstationer) fokuserer i stigende grad på at behandle flere data i mindre rum, på trods af en større vægt på omkostninger. Avanceret halvlederpakning vil spille en nøglerolle i denne tendens, selvom pakningsmetoderne kan afvige fra dem, der anvendes i HPC.
Opslagstidspunkt: 7. oktober 2024