L'encapsulament de semiconductors ha evolucionat des dels dissenys tradicionals de PCB 1D fins a l'unió híbrida 3D d'avantguarda a nivell d'oblia. Aquest avenç permet un espaiament d'interconnexió en el rang de micres d'un sol dígit, amb amplades de banda de fins a 1000 GB/s, tot mantenint una alta eficiència energètica. Al nucli de les tecnologies avançades d'encapsulament de semiconductors hi ha l'encapsulament 2.5D (on els components es col·loquen un al costat de l'altre en una capa intermèdia) i l'encapsulament 3D (que implica apilar verticalment xips actius). Aquestes tecnologies són crucials per al futur dels sistemes HPC.
La tecnologia d'encapsulat 2.5D implica diversos materials de capa intermèdia, cadascun amb els seus propis avantatges i desavantatges. Les capes intermèdies de silici (Si), incloent-hi oblies de silici totalment passives i ponts de silici localitzats, són conegudes per oferir les millors capacitats de cablejat, cosa que les fa ideals per a la computació d'alt rendiment. Tanmateix, són costoses pel que fa a materials i fabricació, i s'enfronten a limitacions en l'àrea d'encapsulat. Per mitigar aquests problemes, l'ús de ponts de silici localitzats està augmentant, emprant estratègicament el silici on la funcionalitat fina és crítica alhora que s'aborden les restriccions d'àrea.
Les capes intermèdies orgàniques, que utilitzen plàstics modelats en ventall, són una alternativa més rendible al silici. Tenen una constant dielèctrica més baixa, cosa que redueix el retard RC en el paquet. Malgrat aquests avantatges, les capes intermèdies orgàniques tenen dificultats per aconseguir el mateix nivell de reducció de les característiques d'interconnexió que els paquets basats en silici, cosa que limita la seva adopció en aplicacions de computació d'alt rendiment.
Les capes intermèdies de vidre han despertat un interès significatiu, especialment després del recent llançament per part d'Intel d'envasos de vehicles de prova basats en vidre. El vidre ofereix diversos avantatges, com ara un coeficient d'expansió tèrmica (CTE) ajustable, una alta estabilitat dimensional, superfícies llises i planes i la capacitat de suportar la fabricació de panells, cosa que el converteix en un candidat prometedor per a capes intermèdies amb capacitats de cablejat comparables al silici. Tanmateix, a part dels reptes tècnics, el principal inconvenient de les capes intermèdies de vidre és l'ecosistema immadur i la manca actual de capacitat de producció a gran escala. A mesura que l'ecosistema madura i les capacitats de producció milloren, les tecnologies basades en vidre en envasos de semiconductors poden experimentar un major creixement i adopció.
Pel que fa a la tecnologia d'encapsulat 3D, l'unió híbrida Cu-Cu sense protuberàncies s'està convertint en una tecnologia innovadora líder. Aquesta tècnica avançada aconsegueix interconnexions permanents combinant materials dielèctrics (com el SiO2) amb metalls incrustats (Cu). L'unió híbrida Cu-Cu pot aconseguir espaiaments inferiors a 10 micres, normalment en el rang de micres d'un sol dígit, cosa que representa una millora significativa respecte a la tecnologia tradicional de micro-protuberàncies, que té espaiaments entre protuberàncies d'uns 40-50 micres. Els avantatges de l'unió híbrida inclouen l'augment de les E/S, l'ample de banda millorat, l'apilament vertical 3D millorat, la millor eficiència energètica i la reducció dels efectes paràsits i la resistència tèrmica a causa de l'absència d'ompliment inferior. Tanmateix, aquesta tecnologia és complexa de fabricar i té costos més elevats.
Les tecnologies d'envasament 2.5D i 3D abasten diverses tècniques d'envasament. En els envasos 2.5D, depenent de l'elecció dels materials de la capa intermèdia, es poden classificar en capes intermèdies basades en silici, orgàniques i de vidre, tal com es mostra a la figura anterior. En els envasos 3D, el desenvolupament de la tecnologia de micro-bump té com a objectiu reduir les dimensions d'espaiat, però avui dia, mitjançant l'adopció de la tecnologia d'unió híbrida (un mètode de connexió directa Cu-Cu), es poden aconseguir dimensions d'espaiat d'un sol dígit, cosa que representa un progrés significatiu en aquest camp.
**Tendències tecnològiques clau a tenir en compte:**
1. **Àrees de capes intermèdies més grans:** IDTechEx havia previst anteriorment que, a causa de la dificultat que tenen les capes intermèdies de silici per superar un límit de mida de retícula de 3 vegades, les solucions de pont de silici 2.5D aviat substituirien les capes intermèdies de silici com a opció principal per empaquetar xips HPC. TSMC és un proveïdor important de capes intermèdies de silici 2.5D per a NVIDIA i altres desenvolupadors HPC líders com Google i Amazon, i l'empresa ha anunciat recentment la producció en massa del seu CoWoS_L de primera generació amb una mida de retícula de 3.5 vegades. IDTechEx espera que aquesta tendència continuï, amb més avenços discutits al seu informe que cobreix els principals actors.
2. **Empaquetament a nivell de panell:** L'embalatge a nivell de panell s'ha convertit en un focus important, tal com es va destacar a l'Exposició Internacional de Semiconductors de Taiwan del 2024. Aquest mètode d'embalatge permet l'ús de capes intermèdies més grans i ajuda a reduir costos produint més paquets simultàniament. Malgrat el seu potencial, encara cal abordar reptes com la gestió de la deformació. La seva creixent importància reflecteix la creixent demanda de capes intermèdies més grans i rendibles.
3. **Capes intermèdies de vidre:** El vidre s'està convertint en un candidat fort per aconseguir un cablejat fi, comparable al silici, amb avantatges addicionals com ara un CTE ajustable i una major fiabilitat. Les capes intermèdies de vidre també són compatibles amb els envasos a nivell de panell, cosa que ofereix el potencial per a un cablejat d'alta densitat a costos més assequibles, convertint-lo en una solució prometedora per a les futures tecnologies d'envasament.
4. **Unió híbrida HBM:** L'unió híbrida 3D de coure-coure (Cu-Cu) és una tecnologia clau per aconseguir interconnexions verticals de pas ultrafí entre xips. Aquesta tecnologia s'ha utilitzat en diversos productes de servidor d'alta gamma, com ara AMD EPYC per a SRAM i CPU apilades, així com la sèrie MI300 per apilar blocs de CPU/GPU en matrius d'E/S. S'espera que l'unió híbrida tingui un paper crucial en els futurs avenços de HBM, especialment per a piles de DRAM que superin les capes de 16-Hi o 20-Hi.
5. **Dispositius òptics coempaquetats (CPO):** Amb la creixent demanda d'un major rendiment de dades i eficiència energètica, la tecnologia d'interconnexió òptica ha rebut una atenció considerable. Els dispositius òptics coempaquetats (CPO) s'estan convertint en una solució clau per millorar l'amplada de banda d'E/S i reduir el consum d'energia. En comparació amb la transmissió elèctrica tradicional, la comunicació òptica ofereix diversos avantatges, com ara una menor atenuació del senyal a llargues distàncies, una menor sensibilitat a la diafonia i un augment significatiu de l'amplada de banda. Aquests avantatges fan que els CPO siguin una opció ideal per a sistemes HPC amb un consum intensiu de dades i una eficiència energètica.
**Mercats clau a tenir en compte:**
El mercat principal que impulsa el desenvolupament de tecnologies d'empaquetament 2.5D i 3D és, sens dubte, el sector de la computació d'alt rendiment (HPC). Aquests mètodes d'empaquetament avançats són crucials per superar les limitacions de la llei de Moore, permetent més transistors, memòria i interconnexions dins d'un sol paquet. La descomposició dels xips també permet una utilització òptima dels nodes de procés entre diferents blocs funcionals, com ara separar els blocs d'E/S dels blocs de processament, millorant encara més l'eficiència.
A més de la computació d'alt rendiment (HPC), també s'espera que altres mercats aconsegueixin un creixement mitjançant l'adopció de tecnologies d'encapsulat avançades. En els sectors 5G i 6G, innovacions com ara les antenes d'encapsulat i les solucions de xips d'avantguarda donaran forma al futur de les arquitectures de xarxa d'accés sense fil (RAN). Els vehicles autònoms també se'n beneficiaran, ja que aquestes tecnologies permeten la integració de conjunts de sensors i unitats de computació per processar grans quantitats de dades, alhora que garanteixen la seguretat, la fiabilitat, la compacitat, la gestió energètica i tèrmica i la rendibilitat.
L'electrònica de consum (inclosos els telèfons intel·ligents, els rellotges intel·ligents, els dispositius de realitat augmentada/real, els ordinadors i les estacions de treball) se centra cada cop més en processar més dades en espais més petits, tot i posar més èmfasi en el cost. L'encapsulament avançat de semiconductors tindrà un paper clau en aquesta tendència, tot i que els mètodes d'encapsulament poden diferir dels que s'utilitzen en la computació de gran capacitat (HPC).
Data de publicació: 07-10-2024