Bilchipindustrien undergår forandringer
For nylig diskuterede halvlederingeniørteamet små chips, hybridbinding og nye materialer med Michael Kelly, vicepræsident for Amkors små chip- og FCBGA-integration. I diskussionen deltog også ASE-forsker William Chen, Promex Industries CEO Dick Otte og Sander Roosendaal, forsknings- og udviklingsdirektør for Synopsys Photonics Solutions. Nedenfor er uddrag fra denne diskussion.
I mange år indtog udviklingen af bilchips ikke en førende position i branchen. Men med fremkomsten af elbiler og udviklingen af avancerede infotainmentsystemer har denne situation ændret sig dramatisk. Hvilke problemer har du bemærket?
Kelly: High-end ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) kræver processorer med en 5-nanometer-proces eller mindre for at være konkurrencedygtige på markedet. Når man først er kommet ind i 5-nanometer-processen, skal man overveje waferomkostningerne, hvilket fører til nøje overvejelse af små chip-løsninger, da det er vanskeligt at fremstille store chips ved 5-nanometer-processen. Derudover er udbyttet lavt, hvilket resulterer i ekstremt høje omkostninger. Når man har at gøre med 5-nanometer eller mere avancerede processer, overvejer kunderne typisk at vælge en del af 5-nanometer-chippen i stedet for at bruge hele chippen, samtidig med at de øger investeringerne i pakningsfasen. De tænker måske: "Ville det være en mere omkostningseffektiv løsning at opnå den nødvendige ydeevne på denne måde i stedet for at forsøge at udføre alle funktioner i en større chip?" Så ja, high-end bilvirksomheder er bestemt opmærksomme på small chip-teknologi. Ledende virksomheder i branchen overvåger dette nøje. Sammenlignet med computerbranchen er bilindustrien sandsynligvis 2 til 4 år bagud i anvendelsen af small chip-teknologi, men tendensen for dens anvendelse i bilsektoren er tydelig. Bilindustrien har ekstremt høje krav til pålidelighed, så pålideligheden af small chip-teknologi skal bevises. Storstilet anvendelse af small chip-teknologi inden for bilindustrien er dog bestemt på vej.
Chen: Jeg har ikke bemærket nogen væsentlige hindringer. Jeg tror, det handler mere om at skulle lære og forstå de relevante certificeringskrav i dybden. Dette går tilbage til metrologiniveauet. Hvordan fremstiller vi pakker, der opfylder de ekstremt strenge bilstandarder? Men det er sikkert, at den relevante teknologi er i konstant udvikling.
I betragtning af de mange termiske problemer og kompleksiteter forbundet med multi-die-komponenter, vil der så komme nye stresstestprofiler eller forskellige typer test? Kan de nuværende JEDEC-standarder dække sådanne integrerede systemer?
Chen: Jeg mener, at vi er nødt til at udvikle mere omfattende diagnostiske metoder for klart at identificere kilden til fejl. Vi har diskuteret at kombinere metrologi med diagnostik, og vi har et ansvar for at finde ud af, hvordan man kan bygge mere robuste pakker, bruge materialer og processer af højere kvalitet og validere dem.
Kelly: I dag udfører vi casestudier med kunder, der har lært noget af systemniveautestning, især temperaturpåvirkningstest i funktionelle printkorttests, hvilket ikke er dækket af JEDEC-testning. JEDEC-testning er blot isotermisk testning, der involverer "temperaturstigning, -fald og -overgang". Temperaturfordelingen i faktiske pakker er dog langt fra, hvad der sker i den virkelige verden. Flere og flere kunder ønsker at udføre systemniveautestning tidligt, fordi de forstår denne situation, selvom ikke alle er klar over den. Simuleringsteknologi spiller også en rolle her. Hvis man er dygtig til termisk-mekanisk kombinationssimulering, bliver det lettere at analysere problemer, fordi man ved, hvilke aspekter man skal fokusere på under testen. Systemniveautestning og simuleringsteknologi supplerer hinanden. Denne tendens er dog stadig i sin vorden.
Er der flere termiske problemer, der skal løses ved modne teknologiknudepunkter end tidligere?
Otte: Ja, men i de seneste par år er problemer med koplanaritet blevet mere og mere fremtrædende. Vi ser 5.000 til 10.000 kobbersøjler på en chip, placeret mellem 50 mikron og 127 mikron fra hinanden. Hvis man undersøger de relevante data nøje, vil man opdage, at placering af disse kobbersøjler på substratet og udførelse af opvarmnings-, afkølings- og reflow-lodningsoperationer kræver en koplanaritetspræcision på omkring en del ud af hundrede tusinde. En del ud af hundrede tusinde præcision er som at finde et græsstrå inden for længden af en fodboldbane. Vi har købt nogle højtydende Keyence-værktøjer til at måle chippens og substratets planhed. Det efterfølgende spørgsmål er selvfølgelig, hvordan man kontrollerer dette vridningsfænomen under reflow-lodningscyklussen? Dette er et presserende problem, der skal løses.
Chen: Jeg husker diskussioner om Ponte Vecchio, hvor de brugte lavtemperaturlodning af hensyn til samling snarere end ydeevne.
I betragtning af at alle kredsløb i nærheden stadig har termiske problemer, hvordan skal fotonik så integreres i dette?
Roosendaal: Termisk simulering skal udføres for alle aspekter, og højfrekvent ekstraktion er også nødvendig, fordi de signaler, der kommer ind, er højfrekvente signaler. Derfor skal problemer som impedanstilpasning og korrekt jordforbindelse tages op. Der kan være betydelige temperaturgradienter, som kan eksistere i selve dysen eller mellem det, vi kalder "E"-dysen (elektrisk dyse) og "P"-dysen (fotondyse). Jeg er nysgerrig efter, om vi skal dykke dybere ned i klæbemidlers termiske egenskaber.
Dette giver anledning til diskussioner om bindingsmaterialer, deres valg og stabilitet over tid. Det er tydeligt, at hybridbindingsteknologi er blevet anvendt i den virkelige verden, men den er endnu ikke blevet brugt til masseproduktion. Hvad er den nuværende status for denne teknologi?
Kelly: Alle parter i forsyningskæden er opmærksomme på hybridbindingsteknologi. I øjeblikket ledes denne teknologi primært af støberier, men OSAT-virksomheder (Outsourced Semiconductor Assembly and Test) studerer også seriøst dens kommercielle anvendelser. Klassiske kobberhybriddielektriske bindingskomponenter har gennemgået langtidsvalidering. Hvis renligheden kan kontrolleres, kan denne proces producere meget robuste komponenter. Den har dog ekstremt høje renlighedskrav, og kapitaludstyrsomkostningerne er meget høje. Vi oplevede tidlige anvendelsesforsøg i AMDs Ryzen-produktlinje, hvor det meste af SRAM brugte kobberhybridbindingsteknologi. Jeg har dog ikke set mange andre kunder anvende denne teknologi. Selvom den er på teknologiplanerne for mange virksomheder, ser det ud til, at det vil tage et par år mere for de relaterede udstyrspakker at opfylde uafhængige renlighedskrav. Hvis den kan anvendes i et fabriksmiljø med lidt lavere renlighed end en typisk waferfabrik, og hvis lavere omkostninger kan opnås, så vil denne teknologi måske få mere opmærksomhed.
Chen: Ifølge min statistik vil mindst 37 artikler om hybridbinding blive præsenteret på ECTC-konferencen i 2024. Dette er en proces, der kræver en masse ekspertise og involverer en betydelig mængde fine operationer under samlingen. Så denne teknologi vil helt sikkert finde udbredt anvendelse. Der er allerede nogle anvendelseseksempler, men i fremtiden vil den blive mere udbredt på tværs af forskellige områder.
Når du nævner "fin drift", mener du så behovet for betydelige økonomiske investeringer?
Chen: Det kræver selvfølgelig tid og ekspertise. Udførelsen af denne operation kræver et meget rent miljø, hvilket nødvendiggør økonomiske investeringer. Det kræver også relateret udstyr, som ligeledes kræver finansiering. Så dette involverer ikke kun driftsomkostninger, men også investeringer i faciliteter.
Kelly: I tilfælde med en afstand på 15 mikron eller større er der betydelig interesse i at bruge wafer-til-wafer-teknologi med kobbersøjler. Ideelt set er waferne flade, og chipstørrelserne er ikke særlig store, hvilket muliggør reflow af høj kvalitet for nogle af disse afstande. Selvom dette giver nogle udfordringer, er det meget billigere end at forpligte sig til kobberhybridbindingsteknologi. Men hvis præcisionskravet er 10 mikron eller lavere, ændrer situationen sig. Virksomheder, der bruger chipstacking-teknologi, vil opnå encifrede mikronafstande, såsom 4 eller 5 mikron, og der er intet alternativ. Derfor vil den relevante teknologi uundgåeligt udvikle sig. Eksisterende teknologier forbedres dog også løbende. Så nu fokuserer vi på grænserne for, hvor meget kobbersøjler kan strække sig, og om denne teknologi vil holde længe nok til, at kunderne udsætter alle design- og "kvalificerings"-udviklingsinvesteringer i ægte kobberhybridbindingsteknologi.
Chen: Vi vil kun anvende relevante teknologier, når der er efterspørgsel.
Er der mange nye udviklinger inden for epoxy-støbemasse i øjeblikket?
Kelly: Støbemasse har gennemgået betydelige ændringer. Deres CTE (termisk udvidelseskoefficient) er blevet kraftigt reduceret, hvilket gør dem mere fordelagtige til relevante anvendelser set fra et trykperspektiv.
Otte: For at vende tilbage til vores tidligere diskussion, hvor mange halvlederchips fremstilles der i øjeblikket med 1 eller 2 mikron afstand?
Kelly: En betydelig andel.
Chen: Sandsynligvis mindre end 1%.
Otte: Så den teknologi, vi diskuterer, er ikke mainstream. Den er ikke i forskningsfasen, da førende virksomheder ganske vist anvender denne teknologi, men den er dyr og har et lavt udbytte.
Kelly: Dette anvendes primært inden for højtydende databehandling. I dag bruges det ikke kun i datacentre, men også i avancerede pc'er og endda nogle håndholdte enheder. Selvom disse enheder er relativt små, har de stadig høj ydeevne. Men i den bredere kontekst af processorer og CMOS-applikationer er dens andel stadig relativt lille. For almindelige chipproducenter er der ikke behov for at anvende denne teknologi.
Otte: Derfor er det overraskende at se denne teknologi komme ind i bilindustrien. Biler behøver ikke at have ekstremt små chips. De kan forblive ved 20- eller 40-nanometerprocesser, da prisen pr. transistor i halvledere er lavest ved denne proces.
Kelly: Beregningskravene til ADAS eller autonom kørsel er dog de samme som for AI-pc'er eller lignende enheder. Derfor er bilindustrien nødt til at investere i disse banebrydende teknologier.
Hvis produktcyklussen er fem år, kan implementeringen af nye teknologier så forlænge fordelen med yderligere fem år?
Kelly: Det er et meget fornuftigt synspunkt. Bilindustrien har en anden vinkel. Overvej simple servocontrollere eller relativt simple analoge enheder, der har eksisteret i 20 år og er meget billige. De bruger små chips. Folk i bilindustrien ønsker at fortsætte med at bruge disse produkter. De ønsker kun at investere i meget avancerede computerenheder med digitale små chips og muligvis parre dem med billige analoge chips, flashhukommelse og RF-chips. For dem giver lille-chip-modellen meget mening, fordi de kan beholde mange billige, stabile dele af den ældre generation. De hverken ønsker eller behøver at ændre disse dele. Derefter skal de bare tilføje en avanceret 5-nanometer eller 3-nanometer lille chip for at opfylde funktionerne i ADAS-delen. Faktisk anvender de forskellige typer små chips i ét produkt. I modsætning til pc- og computerområderne har bilindustrien et mere varieret udvalg af anvendelser.
Chen: Desuden behøver disse chips ikke at blive installeret ved siden af motoren, så miljøforholdene er relativt bedre.
Kelly: Omgivelsestemperaturen i biler er ret høj. Derfor, selvom chippens effekt ikke er særlig høj, skal bilindustrien investere nogle midler i gode termiske styringsløsninger og kan endda overveje at bruge indium TIM (termiske grænsefladematerialer), fordi miljøforholdene er meget barske.
Opslagstidspunkt: 28. april 2025