La indústria dels xips per a l'automoció està experimentant canvis
Recentment, l'equip d'enginyeria de semiconductors va parlar sobre xips petits, enllaços híbrids i nous materials amb Michael Kelly, vicepresident d'integració de xips petits i FCBGA d'Amkor. També van participar en la discussió l'investigador d'ASE William Chen, el CEO de Promex Industries, Dick Otte, i Sander Roosendaal, director d'R+D de Synopsys Photonics Solutions. A continuació es mostren fragments d'aquesta discussió.
Durant molts anys, el desenvolupament de xips per a automòbils no va ocupar una posició de lideratge en la indústria. Tanmateix, amb l'auge dels vehicles elèctrics i el desenvolupament de sistemes d'infoentreteniment avançats, aquesta situació ha canviat dràsticament. Quins problemes heu observat?
Kelly: Els sistemes avançats d'assistència al conductor (ADAS) d'alta gamma requereixen processadors amb un procés de 5 nanòmetres o més petit per ser competitius al mercat. Un cop s'entra al procés de 5 nanòmetres, cal tenir en compte els costos de les oblies, cosa que porta a considerar acuradament les solucions de xips petits, ja que és difícil fabricar xips grans amb el procés de 5 nanòmetres. A més, el rendiment és baix, cosa que resulta en costos extremadament elevats. Quan es tracta de processos de 5 nanòmetres o més avançats, els clients solen considerar seleccionar una part del xip de 5 nanòmetres en lloc d'utilitzar tot el xip, alhora que augmenten la inversió en l'etapa d'empaquetament. Podrien pensar: "Seria una opció més rendible aconseguir el rendiment requerit d'aquesta manera, en lloc d'intentar completar totes les funcions en un xip més gran?" Així doncs, sí, les empreses d'automoció d'alta gamma definitivament estan prestant atenció a la tecnologia de xips petits. Les empreses líders de la indústria ho estan seguint de prop. En comparació amb el camp de la informàtica, la indústria de l'automoció probablement porta entre 2 i 4 anys de retard en l'aplicació de la tecnologia de xips petits, però la tendència per a la seva aplicació en el sector de l'automoció és clara. La indústria de l'automoció té uns requisits de fiabilitat extremadament alts, per la qual cosa cal demostrar la fiabilitat de la tecnologia de xips petits. Tanmateix, l'aplicació a gran escala de la tecnologia de xips petits en el camp de l'automoció està sens dubte en camí.
Chen: No he notat cap obstacle significatiu. Crec que es tracta més aviat de la necessitat d'aprendre i comprendre en profunditat els requisits de certificació pertinents. Això es remunta al nivell de metrologia. Com fabriquem envasos que compleixin els estàndards extremadament estrictes de l'automoció? Però és cert que la tecnologia pertinent està en contínua evolució.
Donats els nombrosos problemes tèrmics i complexitats associades amb els components multi-die, hi haurà nous perfils de proves d'estrès o diferents tipus de proves? Poden els estàndards JEDEC actuals cobrir aquests sistemes integrats?
Chen: Crec que hem de desenvolupar mètodes de diagnòstic més complets per identificar clarament l'origen dels errors. Hem parlat de combinar la metrologia amb el diagnòstic i tenim la responsabilitat d'esbrinar com construir paquets més robustos, utilitzar materials i processos de més qualitat i validar-los.
Kelly: Avui dia, estem duent a terme estudis de casos amb clients que han après alguna cosa de les proves a nivell de sistema, especialment les proves d'impacte de temperatura en proves de plaques funcionals, que no es cobreixen a les proves JEDEC. Les proves JEDEC són simplement proves isotèrmiques, que impliquen "augment, disminució i transició de temperatura". Tanmateix, la distribució de la temperatura en paquets reals està lluny del que passa al món real. Cada cop més clients volen dur a terme proves a nivell de sistema aviat perquè entenen aquesta situació, tot i que no tothom n'és conscient. La tecnologia de simulació també hi juga un paper. Si algú té experiència en simulació combinada termomecànica, l'anàlisi de problemes es fa més fàcil perquè sap en quins aspectes centrar-se durant les proves. Les proves a nivell de sistema i la tecnologia de simulació es complementen. Tanmateix, aquesta tendència encara es troba en les seves primeres etapes.
Hi ha més problemes tèrmics a abordar en els nodes tecnològics madurs que en el passat?
Otte: Sí, però en els darrers dos anys, els problemes de coplanaritat s'han tornat cada cop més prominents. Veiem de 5.000 a 10.000 pilars de coure en un xip, espaiats entre 50 micres i 127 micres. Si examineu de prop les dades rellevants, descobrireu que col·locar aquests pilars de coure sobre el substrat i realitzar operacions d'escalfament, refredament i soldadura per refusió requereix aconseguir una precisió de coplanaritat d'aproximadament una part entre cent mil. Una precisió d'una part entre cent mil és com trobar una fulla d'herba dins la longitud d'un camp de futbol. Hem comprat algunes eines Keyence d'alt rendiment per mesurar la planitud del xip i el substrat. Per descomptat, la pregunta resultant és com controlar aquest fenomen de deformació durant el cicle de soldadura per refusió? Aquest és un problema urgent que cal abordar.
Chen: Recordo discussions sobre el Ponte Vecchio, on utilitzaven soldadura de baixa temperatura per consideracions de muntatge en lloc de per motius de rendiment.
Donat que tots els circuits propers encara tenen problemes tèrmics, com s'hauria d'integrar la fotònica en això?
Roosendaal: Cal dur a terme una simulació tèrmica per a tots els aspectes, i també és necessària l'extracció d'alta freqüència perquè els senyals que entren són senyals d'alta freqüència. Per tant, cal abordar qüestions com l'adaptació d'impedància i la connexió a terra adequada. Hi pot haver gradients de temperatura significatius, que poden existir dins del propi circuit o entre el que anomenem circuit "E" (circuit elèctric) i circuit "P" (circuit de fotons). Tinc curiositat per saber si hem d'aprofundir en les característiques tèrmiques dels adhesius.
Això planteja debats sobre els materials d'unió, la seva selecció i estabilitat al llarg del temps. És evident que la tecnologia d'unió híbrida s'ha aplicat al món real, però encara no s'ha utilitzat per a la producció en massa. Quin és l'estat actual d'aquesta tecnologia?
Kelly: Totes les parts de la cadena de subministrament estan prestant atenció a la tecnologia d'unió híbrida. Actualment, aquesta tecnologia està liderada principalment per foneries, però les empreses OSAT (Externalized Semiconductor Assembly and Test) també estan estudiant seriosament les seves aplicacions comercials. Els components clàssics d'unió dielèctrica híbrida de coure han estat sotmesos a una validació a llarg termini. Si es pot controlar la neteja, aquest procés pot produir components molt robustos. Tanmateix, té uns requisits de neteja extremadament alts i els costos d'equipament de capital són molt elevats. Vam experimentar els primers intents d'aplicació a la línia de productes Ryzen d'AMD, on la majoria de les SRAM utilitzaven tecnologia d'unió híbrida de coure. Tanmateix, no he vist gaires altres clients aplicar aquesta tecnologia. Tot i que està a les fulles de ruta tecnològiques de moltes empreses, sembla que trigaran uns quants anys més perquè els conjunts d'equips relacionats compleixin els requisits de neteja independents. Si es pot aplicar en un entorn de fàbrica amb una neteja lleugerament inferior a la d'una fàbrica de galetes típica, i si es poden aconseguir costos més baixos, potser aquesta tecnologia rebrà més atenció.
Chen: Segons les meves estadístiques, almenys 37 articles sobre unió híbrida es presentaran a la conferència ECTC del 2024. Aquest és un procés que requereix molta experiència i implica una quantitat important d'operacions precises durant el muntatge. Per tant, aquesta tecnologia sens dubte tindrà una aplicació generalitzada. Ja hi ha alguns casos d'aplicació, però en el futur, esdevindrà més prevalent en diversos camps.
Quan esmentes "operacions fines", et refereixes a la necessitat d'una inversió financera important?
Chen: Per descomptat, inclou temps i coneixements tècnics. Realitzar aquesta operació requereix un entorn molt net, cosa que requereix una inversió financera. També requereix equips relacionats, que de la mateixa manera requereixen finançament. Per tant, això implica no només costos operatius, sinó també inversió en instal·lacions.
Kelly: En casos amb un espaiament de 15 micres o més, hi ha un interès significatiu en utilitzar la tecnologia d'oblia a oblia de pilar de coure. Idealment, les oblies són planes i les mides dels xips no són gaire grans, cosa que permet una reflux d'alta qualitat per a alguns d'aquests espaiaments. Tot i que això presenta alguns reptes, és molt menys costós que apostar per la tecnologia d'unió híbrida de coure. Tanmateix, si el requisit de precisió és de 10 micres o menys, la situació canvia. Les empreses que utilitzen la tecnologia d'apilament de xips aconseguiran espaiaments de micres d'un sol dígit, com ara 4 o 5 micres, i no hi ha alternativa. Per tant, la tecnologia rellevant es desenvoluparà inevitablement. Tanmateix, les tecnologies existents també milloren contínuament. Així que ara ens centrem en els límits fins als quals es poden estendre els pilars de coure i si aquesta tecnologia durarà prou temps perquè els clients retardin totes les inversions en desenvolupament de disseny i "qualificació" en tecnologia d'unió híbrida de coure real.
Chen: Només adoptarem tecnologies rellevants quan hi hagi demanda.
Hi ha molts desenvolupaments nous en el camp dels compostos de modelat epoxi actualment?
Kelly: Els compostos de motlle han experimentat canvis significatius. El seu CTE (coeficient de dilatació tèrmica) s'ha reduït considerablement, cosa que els fa més favorables per a aplicacions rellevants des d'una perspectiva de pressió.
Otte: Tornant a la nostra discussió anterior, quants xips semiconductors es fabriquen actualment amb un espai d'1 o 2 micres?
Kelly: Una proporció significativa.
Chen: Probablement menys de l'1%.
Otte: Així doncs, la tecnologia que estem parlant no és convencional. No es troba en fase de recerca, ja que les empreses líders sí que l'estan aplicant, però és costosa i té un rendiment baix.
Kelly: Això s'aplica principalment en la computació d'alt rendiment. Avui dia, s'utilitza no només en centres de dades, sinó també en ordinadors d'alta gamma i fins i tot en alguns dispositius portàtils. Tot i que aquests dispositius són relativament petits, encara tenen un alt rendiment. Tanmateix, en el context més ampli dels processadors i les aplicacions CMOS, la seva proporció continua sent relativament petita. Per als fabricants de xips ordinaris, no cal adoptar aquesta tecnologia.
Otte: Per això és sorprenent veure aquesta tecnologia entrant a la indústria de l'automoció. Els cotxes no necessiten que els xips siguin extremadament petits. Poden romandre en processos de 20 o 40 nanòmetres, ja que el cost per transistor en semiconductors és més baix en aquest procés.
Kelly: Tanmateix, els requisits computacionals per als ADAS o la conducció autònoma són els mateixos que els dels PC amb IA o dispositius similars. Per tant, la indústria de l'automoció sí que necessita invertir en aquestes tecnologies d'avantguarda.
Si el cicle del producte és de cinc anys, l'adopció de noves tecnologies podria ampliar l'avantatge durant cinc anys més?
Kelly: Aquest és un punt molt raonable. La indústria de l'automoció té un altre angle. Penseu en servocontroladors simples o dispositius analògics relativament simples que existeixen des de fa 20 anys i són de molt baix cost. Utilitzen xips petits. La gent de la indústria de l'automoció vol continuar utilitzant aquests productes. Només volen invertir en dispositius informàtics de gamma molt alta amb xips digitals petits i possiblement combinar-los amb xips analògics de baix cost, memòria flash i xips RF. Per a ells, el model de xip petit té molt sentit perquè poden conservar moltes peces de generació més antiga, estables i de baix cost. No volen canviar aquestes peces ni ho necessiten. Aleshores, només necessiten afegir un xip petit de 5 nanòmetres o 3 nanòmetres d'alta gamma per complir les funcions de la part ADAS. De fet, estan aplicant diversos tipus de xips petits en un sol producte. A diferència dels camps dels PC i la informàtica, la indústria de l'automoció té una gamma d'aplicacions més diversa.
Chen: A més, aquests xips no s'han d'instal·lar al costat del motor, de manera que les condicions ambientals són relativament millors.
Kelly: La temperatura ambiental dels cotxes és força alta. Per tant, fins i tot si la potència del xip no és particularment alta, la indústria de l'automoció ha d'invertir alguns fons en bones solucions de gestió tèrmica i fins i tot pot considerar l'ús de TIM (materials d'interfície tèrmica) d'indi, ja que les condicions ambientals són molt dures.
Data de publicació: 28 d'abril de 2025