Опаковките на полупроводници се развиха от традиционните 1D дизайни на печатни платки до авангардно 3D хибридно свързване на ниво пластина. Този напредък позволява междусистемни разстояния в едноцифрен микрон диапазон, с честотни ленти до 1000 GB/s, като същевременно се поддържа висока енергийна ефективност. В основата на усъвършенстваните технологии за опаковане на полупроводници са 2.5D опаковки (където компонентите са поставени един до друг на междинен слой) и 3D опаковки (които включват вертикално подреждане на активни чипове). Тези технологии са от решаващо значение за бъдещето на HPC системите.
2.5D технологията за опаковане включва различни материали на междинния слой, всеки със своите предимства и недостатъци. Силиконовите (Si) междинни слоеве, включително напълно пасивни силициеви пластини и локализирани силициеви мостове, са известни с това, че осигуряват най-добрите възможности за окабеляване, което ги прави идеални за високопроизводителни изчисления. Те обаче са скъпи по отношение на материали и производство и са изправени пред ограничения в областта на опаковане. За смекчаване на тези проблеми се увеличава използването на локализирани силициеви мостове, като стратегически се използва силиций, където фината функционалност е критична, като същевременно се адресират ограниченията на площта.
Органичните междинни слоеве, използващи формовани пластмаси, са по-рентабилна алтернатива на силиция. Те имат по-ниска диелектрична константа, което намалява RC забавянето в опаковката. Въпреки тези предимства органичните междинни слоеве се борят за постигане на същото ниво на намаляване на характеристиките на взаимното свързване като опаковките, базирани на силиций, ограничавайки тяхното приемане във високопроизводителни изчислителни приложения.
Стъклените междинни слоеве привлякоха значителен интерес, особено след неотдавнашното пускане на Intel на базирани на стъкло тестови опаковки за превозни средства. Стъклото предлага няколко предимства, като регулируем коефициент на топлинно разширение (CTE), висока стабилност на размерите, гладки и плоски повърхности и способността да поддържа производството на панели, което го прави обещаващ кандидат за междинни слоеве с възможности за окабеляване, сравними със силиция. Въпреки това, освен техническите предизвикателства, основният недостатък на стъклените междинни слоеве е незрялата екосистема и настоящата липса на широкомащабен производствен капацитет. Тъй като екосистемата узрява и производствените възможности се подобряват, базираните на стъкло технологии в полупроводниковите опаковки може да претърпят допълнителен растеж и приемане.
По отношение на технологията за 3D опаковане, Cu-Cu хибридното свързване без удари се превръща във водеща иновативна технология. Тази усъвършенствана техника постига постоянни взаимовръзки чрез комбиниране на диелектрични материали (като SiO2) с вградени метали (Cu). Cu-Cu хибридното свързване може да постигне разстояния под 10 микрона, обикновено в едноцифрен диапазон на микрона, което представлява значително подобрение в сравнение с традиционната технология за микро-неравности, която има разстояния на неравности от около 40-50 микрона. Предимствата на хибридното свързване включват увеличен I/O, подобрена честотна лента, подобрено 3D вертикално подреждане, по-добра енергийна ефективност и намалени паразитни ефекти и термична устойчивост поради липсата на запълване на дъното. Тази технология обаче е сложна за производство и има по-високи разходи.
2.5D и 3D опаковъчните технологии обхващат различни техники за опаковане. В 2.5D опаковката, в зависимост от избора на междинни слоеве, тя може да бъде категоризирана на междинни слоеве на силициева основа, на органична основа и на стъклена основа, както е показано на фигурата по-горе. В 3D опаковките развитието на технологията за микро-изпъкналост има за цел да намали размерите на разстоянието, но днес, чрез възприемане на технология за хибридно свързване (директен метод на свързване Cu-Cu), могат да се постигнат едноцифрени размери на разстоянието, което бележи значителен напредък в областта .
**Ключови технологични тенденции за гледане:**
1. **По-големи зони на междинния слой:** IDTechEx по-рано прогнозира, че поради трудностите силициевите междинни слоеве да превишават 3x ограничение на размера на мрежата, 2.5D силициевите мостови решения скоро ще заменят силициевите междинни слоеве като основен избор за опаковане на HPC чипове. TSMC е основен доставчик на 2.5D силициеви междинни слоеве за NVIDIA и други водещи HPC разработчици като Google и Amazon, а компанията наскоро обяви масово производство на своето първо поколение CoWoS_L с 3.5x размер на мерната мрежа. IDTechEx очаква тази тенденция да продължи, като по-нататъшният напредък се обсъжда в неговия доклад, обхващащ основните играчи.
2. **Опаковка на ниво панел: ** Опаковката на ниво панел се превърна в значителен фокус, както беше подчертано на Международното изложение за полупроводници в Тайван през 2024 г. Този метод на опаковане позволява използването на по-големи междинни слоеве и спомага за намаляване на разходите, като произвежда повече опаковки едновременно. Въпреки потенциала си, предизвикателства като управлението на деформацията все още трябва да бъдат разгледани. Нарастващата му известност отразява нарастващото търсене на по-големи, по-рентабилни междинни слоеве.
3. **Стъклени междинни слоеве:** Стъклото се очертава като силен кандидат материал за постигане на фино окабеляване, сравнимо със силиция, с допълнителни предимства като регулируем CTE и по-висока надеждност. Стъклените междинни слоеве също са съвместими с опаковки на ниво панел, предлагайки потенциал за окабеляване с висока плътност на по-управляеми разходи, което го прави обещаващо решение за бъдещи технологии за опаковане.
4. **HBM хибридно свързване:** 3D медно-медно (Cu-Cu) хибридно свързване е ключова технология за постигане на ултрафини вертикални връзки между чиповете. Тази технология е използвана в различни сървърни продукти от висок клас, включително AMD EPYC за подредени SRAM и CPU, както и серията MI300 за подреждане на CPU/GPU блокове върху I/O матрици. Очаква се хибридното свързване да играе решаваща роля в бъдещите подобрения на HBM, особено за DRAM стекове, надвишаващи 16-Hi или 20-Hi слоя.
5. **Съвместно опаковани оптични устройства (CPO):** С нарастващото търсене на по-висока производителност на данни и енергийна ефективност, технологията за оптично свързване привлече значително внимание. Копакетираните оптични устройства (CPO) се превръщат в ключово решение за подобряване на честотната лента на I/O и намаляване на потреблението на енергия. В сравнение с традиционното електрическо предаване, оптичната комуникация предлага няколко предимства, включително по-ниско затихване на сигнала на дълги разстояния, намалена чувствителност на кръстосани смущения и значително увеличена честотна лента. Тези предимства правят CPO идеален избор за интензивни данни, енергийно ефективни HPC системи.
**Ключови пазари за наблюдение:**
Основният пазар, движещ развитието на 2.5D и 3D технологии за опаковане, несъмнено е секторът на високопроизводителните изчисления (HPC). Тези усъвършенствани методи за опаковане са от решаващо значение за преодоляване на ограниченията на закона на Мур, позволявайки повече транзистори, памет и връзки в рамките на един пакет. Разграждането на чипове също така позволява оптимално използване на процесните възли между различни функционални блокове, като например разделяне на I/O блокове от блокове за обработка, което допълнително повишава ефективността.
В допълнение към високопроизводителните изчисления (HPC), други пазари също се очаква да постигнат растеж чрез приемането на модерни технологии за опаковане. В секторите 5G и 6G иновации като опаковъчни антени и авангардни решения за чипове ще оформят бъдещето на архитектурите на мрежи за безжичен достъп (RAN). Автономните превозни средства също ще се възползват, тъй като тези технологии поддържат интегрирането на сензорни комплекти и изчислителни единици за обработка на големи количества данни, като същевременно гарантират безопасност, надеждност, компактност, управление на мощността и топлината и рентабилност.
Потребителската електроника (включително смартфони, смарт часовници, AR/VR устройства, компютри и работни станции) все повече се фокусира върху обработката на повече данни в по-малки пространства, въпреки по-големия акцент върху разходите. Усъвършенстваното опаковане на полупроводници ще играе ключова роля в тази тенденция, въпреки че методите на опаковане може да се различават от тези, използвани в HPC.
Време на публикуване: 25 октомври 2024 г