Branża układów scalonych w motoryzacji przechodzi zmiany
Niedawno zespół inżynierów półprzewodników rozmawiał o małych chipach, hybrydowym wiązaniu i nowych materiałach z Michaelem Kellym, wiceprezesem ds. małych chipów i integracji FCBGA w Amkor. W dyskusji uczestniczyli również badacz ASE William Chen, CEO Promex Industries Dick Otte i Sander Roosendaal, dyrektor ds. badań i rozwoju w Synopsys Photonics Solutions. Poniżej znajdują się fragmenty tej dyskusji.
Przez wiele lat rozwój układów scalonych w motoryzacji nie zajmował czołowej pozycji w branży. Jednak wraz z rozwojem pojazdów elektrycznych i rozwojem zaawansowanych systemów informacyjno-rozrywkowych sytuacja ta uległa drastycznej zmianie. Jakie problemy zauważyłeś?
Kelly: Zaawansowane systemy ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) wymagają procesorów z procesem 5-nanometrowym lub mniejszym, aby być konkurencyjnymi na rynku. Po wejściu w proces 5-nanometrowy należy wziąć pod uwagę koszty płytek, co prowadzi do ostrożnego rozważenia rozwiązań małych chipów, ponieważ trudno jest produkować duże chipy w procesie 5-nanometrowym. Ponadto wydajność jest niska, co skutkuje ekstremalnie wysokimi kosztami. W przypadku procesów 5-nanometrowych lub bardziej zaawansowanych klienci zazwyczaj rozważają wybór części chipa 5-nanometrowego zamiast używania całego chipa, jednocześnie zwiększając inwestycje w etapie pakowania. Mogą pomyśleć: „Czy osiągnięcie wymaganej wydajności w ten sposób byłoby bardziej opłacalną opcją, niż próba ukończenia wszystkich funkcji w większym chipie?” Tak więc tak, firmy motoryzacyjne z najwyższej półki zdecydowanie zwracają uwagę na technologię małych chipów. Wiodące firmy w branży uważnie to monitorują. W porównaniu do sektora komputerowego, przemysł motoryzacyjny jest prawdopodobnie od 2 do 4 lat w tyle w stosowaniu technologii małych chipów, ale trend w jej stosowaniu w sektorze motoryzacyjnym jest jasny. Przemysł motoryzacyjny ma niezwykle wysokie wymagania dotyczące niezawodności, więc niezawodność technologii małych chipów musi zostać udowodniona. Jednakże stosowanie technologii małych chipów na dużą skalę w sektorze motoryzacyjnym jest z pewnością w drodze.
Chen: Nie zauważyłem żadnych znaczących przeszkód. Myślę, że chodzi bardziej o konieczność dogłębnego poznania i zrozumienia odpowiednich wymogów certyfikacyjnych. To wraca do poziomu metrologii. W jaki sposób produkujemy opakowania, które spełniają niezwykle rygorystyczne normy motoryzacyjne? Ale pewne jest, że odpowiednia technologia nieustannie ewoluuje.
Biorąc pod uwagę wiele problemów termicznych i złożoności związanych z komponentami wielo-matrycowymi, czy będą nowe profile testów wytrzymałościowych lub różne rodzaje testów? Czy obecne standardy JEDEC mogą obejmować takie zintegrowane systemy?
Chen: Uważam, że musimy opracować bardziej kompleksowe metody diagnostyczne, aby jasno identyfikować źródło awarii. Omówiliśmy połączenie metrologii z diagnostyką i mamy obowiązek dowiedzieć się, jak budować bardziej wytrzymałe pakiety, używać materiałów i procesów wyższej jakości oraz je walidować.
Kelly: Obecnie prowadzimy studia przypadków z klientami, którzy czegoś się nauczyli z testów na poziomie systemu, zwłaszcza testów wpływu temperatury w testach funkcjonalnych płyt, które nie są objęte testami JEDEC. Testy JEDEC to po prostu testy izotermiczne, obejmujące „wzrost, spadek i zmianę temperatury”. Jednak rozkład temperatury w rzeczywistych pakietach jest daleki od tego, co występuje w świecie rzeczywistym. Coraz więcej klientów chce wcześnie przeprowadzać testy na poziomie systemu, ponieważ rozumieją tę sytuację, chociaż nie wszyscy są jej świadomi. Technologia symulacji również odgrywa tutaj rolę. Jeśli ktoś ma umiejętności w zakresie symulacji kombinacji cieplno-mechanicznej, analiza problemów staje się łatwiejsza, ponieważ wie, na jakich aspektach skupić się podczas testowania. Testy na poziomie systemu i technologia symulacji wzajemnie się uzupełniają. Jednak ten trend jest wciąż na wczesnym etapie.
Czy w węzłach wykorzystujących dojrzałe technologie występuje więcej problemów związanych z temperaturą, które należy rozwiązać niż w przeszłości?
Otte: Tak, ale w ciągu ostatnich kilku lat problemy z koplanarnością stały się coraz bardziej widoczne. Widzimy od 5000 do 10 000 miedzianych filarów na chipie, rozmieszczonych w odstępach od 50 mikronów do 127 mikronów. Jeśli dokładnie przeanalizujesz odpowiednie dane, odkryjesz, że umieszczenie tych miedzianych filarów na podłożu i przeprowadzenie operacji nagrzewania, chłodzenia i lutowania rozpływowego wymaga osiągnięcia precyzji koplanarności wynoszącej około jednej części na sto tysięcy. Precyzja wynosząca jedną część na sto tysięcy jest jak znalezienie źdźbła trawy na długości boiska piłkarskiego. Zakupiliśmy kilka wysokowydajnych narzędzi Keyence do pomiaru płaskości chipa i podłoża. Oczywiście pojawia się pytanie, jak kontrolować to zjawisko odkształcania podczas cyklu lutowania rozpływowego? Jest to pilny problem, który należy rozwiązać.
Chen: Pamiętam dyskusje na temat Ponte Vecchio, w których ze względów montażowych użyto lutu niskotemperaturowego, a nie ze względu na wydajność.
Biorąc pod uwagę, że wszystkie obwody w pobliżu nadal mają problemy termiczne, w jaki sposób można zintegrować fotonikę?
Roosendaal: Symulację termiczną należy przeprowadzić dla wszystkich aspektów, a ekstrakcja wysokiej częstotliwości jest również konieczna, ponieważ sygnały wejściowe są sygnałami wysokiej częstotliwości. Dlatego należy zająć się takimi kwestiami, jak dopasowanie impedancji i prawidłowe uziemienie. Mogą występować znaczne gradienty temperatury, które mogą występować w samym układzie scalonym lub między tym, co nazywamy układem „E” (układ elektryczny) a układem „P” (układ fotonowy). Ciekawi mnie, czy musimy zagłębić się w charakterystykę termiczną klejów.
To wywołuje dyskusje na temat materiałów wiążących, ich wyboru i stabilności w czasie. Oczywiste jest, że technologia łączenia hybrydowego została zastosowana w świecie rzeczywistym, ale nie została jeszcze wykorzystana w produkcji masowej. Jaki jest obecny stan tej technologii?
Kelly: Wszystkie strony w łańcuchu dostaw zwracają uwagę na technologię hybrydowego łączenia. Obecnie technologia ta jest głównie prowadzona przez odlewnie, ale firmy OSAT (Outsourced Semiconductor Assembly and Test) również poważnie badają jej zastosowania komercyjne. Klasyczne miedziane hybrydowe komponenty dielektryczne zostały poddane długoterminowej walidacji. Jeśli czystość może być kontrolowana, ten proces może produkować bardzo wytrzymałe komponenty. Jednak ma on niezwykle wysokie wymagania dotyczące czystości, a koszty wyposażenia kapitałowego są bardzo wysokie. Doświadczyliśmy wczesnych prób zastosowania w linii produktów AMD Ryzen, gdzie większość pamięci SRAM wykorzystywała technologię hybrydowego łączenia miedzi. Jednak nie widziałem wielu innych klientów stosujących tę technologię. Chociaż znajduje się ona na mapach technologicznych wielu firm, wydaje się, że minie jeszcze kilka lat, zanim powiązane zestawy sprzętu spełnią niezależne wymagania dotyczące czystości. Jeśli można ją zastosować w środowisku fabrycznym o nieco niższej czystości niż typowa fabryka płytek i jeśli można osiągnąć niższe koszty, to być może ta technologia przyciągnie większą uwagę.
Chen: Według moich statystyk, na konferencji ECTC 2024 zostanie przedstawionych co najmniej 37 artykułów na temat łączenia hybrydowego. Jest to proces, który wymaga dużej wiedzy specjalistycznej i obejmuje znaczną liczbę precyzyjnych operacji podczas montażu. Więc ta technologia z pewnością znajdzie szerokie zastosowanie. Jest już kilka przypadków zastosowań, ale w przyszłości stanie się bardziej rozpowszechniona w różnych dziedzinach.
Czy mówiąc o „dokładnych operacjach”, ma Pan na myśli konieczność znacznych inwestycji finansowych?
Chen: Oczywiście, to obejmuje czas i wiedzę specjalistyczną. Wykonanie tej operacji wymaga bardzo czystego środowiska, co wymaga inwestycji finansowych. Wymaga również powiązanego sprzętu, który podobnie wymaga finansowania. Wiąże się to więc nie tylko z kosztami operacyjnymi, ale także z inwestycjami w obiekty.
Kelly: W przypadku odstępu 15 mikronów lub większego istnieje duże zainteresowanie wykorzystaniem technologii wafer-to-wafer z miedzianymi filarami. W idealnym przypadku wafle są płaskie, a rozmiary chipów nie są zbyt duże, co umożliwia wysokiej jakości reflow dla niektórych z tych odstępów. Chociaż stwarza to pewne wyzwania, jest to znacznie mniej kosztowne niż angażowanie się w technologię hybrydowego łączenia miedzi. Jednak jeśli wymagania dotyczące precyzji wynoszą 10 mikronów lub mniej, sytuacja ulega zmianie. Firmy wykorzystujące technologię układania chipów osiągną jednocyfrowe odstępy mikronów, takie jak 4 lub 5 mikronów, i nie ma alternatywy. Dlatego odpowiednia technologia nieuchronnie się rozwinie. Jednak istniejące technologie również są stale udoskonalane. Dlatego teraz skupiamy się na granicach, do których mogą sięgać miedziane filary, i czy ta technologia wytrzyma wystarczająco długo, aby klienci mogli opóźnić wszystkie inwestycje w rozwój projektu i „kwalifikacji” w prawdziwej technologii hybrydowego łączenia miedzi.
Chen: Będziemy wdrażać odpowiednie technologie tylko wtedy, gdy będzie na nie popyt.
Czy obecnie na rynku tworzyw do formowania epoksydowego dokonuje się wiele nowych odkryć?
Kelly: Mieszanki formierskie uległy znacznym zmianom. Ich współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE) został znacznie zmniejszony, co czyni je bardziej korzystnymi dla odpowiednich zastosowań z perspektywy ciśnienia.
Otte: Wracając do naszej poprzedniej dyskusji, ile obecnie produkowanych jest układów scalonych półprzewodnikowych z odstępem 1 lub 2 mikronów?
Kelly: Znaczna część.
Chen: Prawdopodobnie mniej niż 1%.
Otte: Więc technologia, którą omawiamy, nie jest mainstreamowa. Nie jest w fazie badań, ponieważ wiodące firmy rzeczywiście stosują tę technologię, ale jest kosztowna i ma niską wydajność.
Kelly: Jest to stosowane głównie w obliczeniach o wysokiej wydajności. Obecnie jest używane nie tylko w centrach danych, ale także w komputerach klasy high-end, a nawet w niektórych urządzeniach przenośnych. Chociaż te urządzenia są stosunkowo małe, nadal mają wysoką wydajność. Jednak w szerszym kontekście procesorów i zastosowań CMOS jego udział pozostaje stosunkowo niewielki. Dla zwykłych producentów chipów nie ma potrzeby przyjmowania tej technologii.
Otte: Dlatego zaskakujące jest, że ta technologia wchodzi do przemysłu motoryzacyjnego. Samochody nie potrzebują ekstremalnie małych chipów. Mogą pozostać przy procesach 20 lub 40 nanometrów, ponieważ koszt tranzystora w półprzewodnikach jest najniższy w tym procesie.
Kelly: Jednak wymagania obliczeniowe dla ADAS lub autonomicznej jazdy są takie same jak dla komputerów AI lub podobnych urządzeń. Dlatego przemysł motoryzacyjny musi inwestować w te najnowocześniejsze technologie.
Jeśli cykl życia produktu wynosi pięć lat, czy wdrożenie nowych technologii może przedłużyć okres użytkowania o kolejne pięć lat?
Kelly: To bardzo rozsądne podejście. Przemysł motoryzacyjny ma inne podejście. Rozważmy proste serwomechanizmy lub stosunkowo proste urządzenia analogowe, które istnieją od 20 lat i są bardzo tanie. Używają małych chipów. Ludzie w przemyśle motoryzacyjnym chcą nadal używać tych produktów. Chcą inwestować tylko w bardzo zaawansowane urządzenia komputerowe z małymi chipami cyfrowymi i ewentualnie łączyć je z niedrogimi chipami analogowymi, pamięcią flash i chipami RF. Dla nich model z małym chipem ma wiele sensu, ponieważ mogą zachować wiele niedrogich, stabilnych części starszej generacji. Nie chcą ani nie muszą zmieniać tych części. Następnie muszą po prostu dodać wysokiej klasy 5-nanometrowy lub 3-nanometrowy mały chip, aby spełnić funkcje części ADAS. W rzeczywistości stosują różne rodzaje małych chipów w jednym produkcie. W przeciwieństwie do komputerów i dziedzin komputerowych, przemysł motoryzacyjny ma bardziej zróżnicowany zakres zastosowań.
Chen: Ponadto tych układów nie trzeba instalować obok silnika, więc warunki środowiskowe są stosunkowo lepsze.
Kelly: Temperatura otoczenia w samochodach jest dość wysoka. Dlatego nawet jeśli moc chipa nie jest szczególnie wysoka, przemysł motoryzacyjny musi zainwestować pewne środki w dobre rozwiązania do zarządzania termicznego i może nawet rozważyć użycie indu TIM (materiałów interfejsu termicznego), ponieważ warunki środowiskowe są bardzo trudne.
Czas publikacji: 28-kwi-2025