Автомобилната чип индустрия претърпява промени
Наскоро екипът по полупроводникови инженери обсъди малки чипове, хибридно свързване и нови материали с Майкъл Кели, вицепрезидент на Amkor, отговарящ за малките чипове и интеграцията на FCBGA. В дискусията участваха и изследователят на ASE Уилям Чен, главният изпълнителен директор на Promex Industries Дик Оте и Сандер Розендал, директор на научноизследователската и развойна дейност на Synopsys Photonics Solutions. По-долу са дадени откъси от тази дискусия.
В продължение на много години разработването на автомобилни чипове не заемаше водеща позиция в индустрията. С появата на електрическите превозни средства и развитието на усъвършенствани информационно-развлекателни системи обаче тази ситуация се промени драстично. Какви проблеми забелязахте?
Кели: Висококачествените ADAS (Advanced Driver Assistance Systems - Системи за подпомагане на водача) изискват процесори с 5-нанометров процес или по-малък, за да бъдат конкурентоспособни на пазара. След като навлезете в 5-нанометровия процес, трябва да вземете предвид разходите за пластини, което води до внимателно обмисляне на решения с малки чипове, тъй като е трудно да се произвеждат големи чипове по 5-нанометровия процес. Освен това, добивът е нисък, което води до изключително високи разходи. Когато се работи с 5-нанометрови или по-напреднали процеси, клиентите обикновено обмислят избора на част от 5-нанометровия чип, вместо да използват целия чип, като същевременно увеличават инвестициите в етапа на опаковане. Те може да си помислят: „Дали би било по-рентабилен вариант за постигане на необходимата производителност по този начин, вместо да се опитвате да изпълните всички функции в по-голям чип?“ Така че, да, висок клас автомобилни компании определено обръщат внимание на технологията с малки чипове. Водещите компании в индустрията следят отблизо това. В сравнение с компютърната област, автомобилната индустрия вероятно изостава с 2 до 4 години в прилагането на технологията с малки чипове, но тенденцията за нейното приложение в автомобилния сектор е ясна. Автомобилната индустрия има изключително високи изисквания за надеждност, така че надеждността на технологията с малки чипове трябва да бъде доказана. Въпреки това, мащабното приложение на технологията с малки чипове в автомобилната област със сигурност е на път.
Чен: Не съм забелязал никакви съществени пречки. Мисля, че става въпрос по-скоро за необходимостта от задълбочено изучаване и разбиране на съответните изисквания за сертифициране. Това се връща към метрологичното ниво. Как произвеждаме опаковки, които отговарят на изключително строгите автомобилни стандарти? Но е сигурно, че съответната технология непрекъснато се развива.
Предвид многобройните термични проблеми и сложности, свързани с многочиповите компоненти, ще има ли нови профили за стрес тестове или различни видове тестове? Могат ли настоящите JEDEC стандарти да обхванат такива интегрирани системи?
Чен: Вярвам, че трябва да разработим по-всеобхватни диагностични методи, за да идентифицираме ясно източника на повреди. Обсъдихме комбинирането на метрологията с диагностиката и носим отговорност да разберем как да изградим по-надеждни пакети, да използваме по-висококачествени материали и процеси и да ги валидираме.
Кели: В днешно време провеждаме казуси с клиенти, които са научили нещо от тестове на системно ниво, особено тестове за температурно въздействие при функционални тестове на платки, което не е обхванато от JEDEC тестовете. JEDEC тестовете са просто изотермични тестове, включващи „покачване, понижаване и температурен преход“. Разпределението на температурата в реалните корпуси обаче е далеч от това, което се случва в реалния свят. Все повече клиенти искат да провеждат тестове на системно ниво рано, защото разбират тази ситуация, въпреки че не всеки е наясно с нея. Симулационната технология също играе роля тук. Ако човек е умел в комбинирана термомеханична симулация, анализирането на проблемите става по-лесно, защото знае върху кои аспекти да се съсредоточи по време на тестването. Тестването на системно ниво и симулационната технология се допълват взаимно. Тази тенденция обаче все още е в начален стадий.
Има ли повече топлинни проблеми, които трябва да се решат във възлите със зрели технологии, отколкото в миналото?
Оте: Да, но през последните няколко години проблемите с компланарността стават все по-очевидни. Виждаме от 5000 до 10 000 медни стълба върху чип, разположени на разстояние между 50 микрона и 127 микрона един от друг. Ако внимателно разгледате съответните данни, ще откриете, че поставянето на тези медни стълбове върху субстрата и извършването на операции по нагряване, охлаждане и запояване с претопляне изисква постигане на точност на компланарност от около една част на сто хиляди. Точност от една част на сто хиляди е като да намериш стрък трева по дължината на футболно игрище. Закупихме някои високопроизводителни инструменти Keyence за измерване на плоскостта на чипа и субстрата. Разбира се, произтичащият от това въпрос е как да се контролира това явление на изкривяване по време на цикъла на запояване с претопляне? Това е належащ проблем, който трябва да бъде решен.
Чен: Спомням си дискусиите за Понте Векио, където използваха нискотемпературна спойка от съображения за сглобяване, а не от съображения за производителност.
Като се има предвид, че всички близки вериги все още имат термични проблеми, как фотониката трябва да бъде интегрирана в това?
Розендал: Необходимо е да се проведе термична симулация за всички аспекти, а високочестотното извличане също е необходимо, тъй като постъпващите сигнали са високочестотни сигнали. Следователно, трябва да се обърне внимание на проблеми като импедансно съгласуване и правилно заземяване. Може да има значителни температурни градиенти, които могат да съществуват в самия чип или между това, което наричаме „E“ чип (електрически чип) и „P“ чип (фотонен чип). Любопитен съм дали трябва да се задълбочим в термичните характеристики на лепилата.
Това повдига дискусии относно свързващите материали, техния избор и стабилност във времето. Очевидно е, че хибридната технология за свързване е била прилагана в реалния свят, но все още не е използвана за масово производство. Какво е текущото състояние на тази технология?
Кели: Всички страни във веригата за доставки обръщат внимание на технологията за хибридно свързване. В момента тази технология се използва главно от леярни, но компаниите OSAT (Outsourced Semiconductor Assembly and Test) също сериозно изучават нейните търговски приложения. Класическите медни хибридни диелектрични свързващи компоненти са преминали през дългосрочна валидация. Ако чистотата може да се контролира, този процес може да доведе до много здрави компоненти. Той обаче има изключително високи изисквания за чистота, а капиталовите разходи за оборудване са много високи. Имахме ранни опити за приложение в продуктовата линия Ryzen на AMD, където повечето SRAM памети използваха технология за медно хибридно свързване. Не съм виждал обаче много други клиенти да прилагат тази технология. Въпреки че е в технологичните пътни карти на много компании, изглежда, че ще са необходими още няколко години, за да отговарят свързаните с нея комплекти оборудване на независимите изисквания за чистота. Ако може да се прилага във фабрична среда с малко по-ниска чистота от типична фабрика за пластини и ако могат да се постигнат по-ниски разходи, тогава може би тази технология ще получи повече внимание.
Чен: Според моята статистика, на конференцията ECTC през 2024 г. ще бъдат представени поне 37 доклада за хибридно свързване. Това е процес, който изисква много експертиза и включва значително количество фини операции по време на сглобяването. Така че тази технология определено ще намери широко приложение. Вече има някои случаи на приложение, но в бъдеще тя ще стане по-разпространена в различни области.
Когато споменавате „фини операции“, имате ли предвид необходимостта от значителни финансови инвестиции?
Чен: Разбира се, това включва време и експертиза. Извършването на тази операция изисква много чиста среда, което налага финансови инвестиции. Изисква се и свързано оборудване, което също изисква финансиране. Така че това включва не само оперативни разходи, но и инвестиции в съоръжения.
Кели: В случаи с разстояние от 15 микрона или по-голямо, има значителен интерес към използването на технологията „пластмаса към пластина“ с медни стълбове. В идеалния случай пластините са плоски, а размерите на чиповете не са много големи, което позволява висококачествено преформатиране за някои от тези разстояния. Макар че това представлява някои предизвикателства, е много по-евтино от използването на технология за хибридно свързване с мед. Ако обаче изискването за прецизност е 10 микрона или по-малко, ситуацията се променя. Компаниите, използващи технология за подреждане на чипове, ще постигнат едноцифрени микронни разстояния, като например 4 или 5 микрона, и няма алтернатива. Следователно, съответната технология неизбежно ще се развива. Съществуващите технологии обаче също непрекъснато се усъвършенстват. Така че сега се фокусираме върху границите, до които могат да се разтегнат медните стълбове, и дали тази технология ще издържи достатъчно дълго, за да могат клиентите да отложат всички инвестиции в проектиране и „квалификация“ на истинска технология за хибридно свързване с мед.
Чен: Ще внедряваме подходящи технологии само когато има търсене.
Има ли много нови разработки в областта на епоксидните формовъчни съединения в момента?
Кели: Формовъчните смеси са претърпели значителни промени. Техният КТР (коефициент на термично разширение) е значително намален, което ги прави по-благоприятни за съответните приложения от гледна точка на налягането.
Оте: Връщайки се към предишната ни дискусия, колко полупроводникови чипа се произвеждат в момента с разстояние между елементите от 1 или 2 микрона?
Кели: Значителна част.
Чен: Вероятно по-малко от 1%.
Оте: Така че технологията, която обсъждаме, не е масова. Тя не е във фаза на изследване, тъй като водещи компании наистина прилагат тази технология, но тя е скъпа и има ниски добиви.
Кели: Това се прилага главно във високопроизводителните изчисления. В днешно време се използва не само в центрове за данни, но и във висок клас персонални компютри и дори в някои преносими устройства. Въпреки че тези устройства са сравнително малки, те все пак имат висока производителност. В по-широкия контекст на процесорите и CMOS приложенията обаче, делът им остава сравнително малък. За обикновените производители на чипове няма нужда да внедряват тази технология.
Оте: Ето защо е изненадващо да видим как тази технология навлиза в автомобилната индустрия. Автомобилите не се нуждаят от изключително малки чипове. Те могат да останат на 20 или 40 нанометрови процеси, тъй като цената на транзистор в полупроводниците е най-ниска при този процес.
Кели: Изчислителните изисквания за ADAS или автономно шофиране обаче са същите като тези за персонални компютри с изкуствен интелект или подобни устройства. Следователно автомобилната индустрия трябва да инвестира в тези авангардни технологии.
Ако продуктовият цикъл е пет години, може ли приемането на нови технологии да удължи предимството с още пет години?
Кели: Това е много разумна гледна точка. Автомобилната индустрия има друг ъгъл. Помислете за прости серво контролери или сравнително прости аналогови устройства, които съществуват от 20 години и са много евтини. Те използват малки чипове. Хората в автомобилната индустрия искат да продължат да използват тези продукти. Те искат да инвестират само в много висок клас изчислителни устройства с малки цифрови чипове и евентуално да ги комбинират с евтини аналогови чипове, флаш памет и RF чипове. За тях моделът с малки чипове има голям смисъл, защото могат да запазят много евтини, стабилни части от по-старо поколение. Те нито искат да сменят тези части, нито е необходимо. След това просто трябва да добавят висок клас 5-нанометров или 3-нанометров малък чип, за да изпълнява функциите на частта ADAS. Всъщност те прилагат различни видове малки чипове в един продукт. За разлика от областта на персоналните компютри и изчислителните технологии, автомобилната индустрия има по-разнообразен набор от приложения.
Чен: Освен това, тези чипове не е необходимо да се инсталират до двигателя, така че условията на околната среда са сравнително по-добри.
Кели: Температурата на околната среда в автомобилите е доста висока. Следователно, дори ако мощността на чипа не е особено висока, автомобилната индустрия трябва да инвестира средства в добри решения за управление на температурата и дори може да обмисли използването на индиеви TIM (термоинтерфейсни материали), тъй като условията на околната среда са много сурови.
Време на публикуване: 28 април 2025 г.