Branża układów scalonych w motoryzacji przechodzi zmiany
Niedawno zespół inżynierów półprzewodników rozmawiał o małych układach scalonych, wiązaniu hybrydowym i nowych materiałach z Michaelem Kellym, wiceprezesem ds. integracji małych układów scalonych i FCBGA w firmie Amkor. W dyskusji uczestniczyli również William Chen, badacz ASE, Dick Otte, prezes Promex Industries, oraz 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 był wiodącą dziedziną w branży. Jednak wraz z rozwojem pojazdów elektrycznych i zaawansowanych systemów informacyjno-rozrywkowych, sytuacja ta uległa radykalnej zmianie. Jakie problemy Pan zauważył?
Kelly: Zaawansowane systemy ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) wymagają procesorów z procesem technologicznym 5 nm lub mniejszym, aby być konkurencyjnymi na rynku. Po wejściu na rynek 5-nanometrowego procesu technologicznego należy wziąć pod uwagę koszty płytek krzemowych, co prowadzi do starannego rozważenia rozwiązań opartych na małych układach scalonych, ponieważ trudno jest produkować duże układy scalone w procesie 5 nm. Dodatkowo, wydajność jest niska, co przekłada się na bardzo wysokie koszty. W przypadku procesów 5 nm lub bardziej zaawansowanych, klienci zazwyczaj rozważają wybór fragmentu układu scalonego 5 nm zamiast wykorzystania całego układu, jednocześnie zwiększając inwestycje w etapie pakowania. Mogą się zastanawiać: „Czy osiągnięcie wymaganej wydajności w ten sposób byłoby bardziej opłacalne, niż próba realizacji wszystkich funkcji w większym układzie scalonym?”. Tak więc, firmy motoryzacyjne z wyższej półki zdecydowanie zwracają uwagę na technologię małych układów scalonych. Wiodące firmy w branży uważnie ją monitorują. W porównaniu z sektorem komputerowym, przemysł motoryzacyjny jest prawdopodobnie o 2 do 4 lat w tyle w zakresie stosowania technologii małych układów scalonych, ale trend w jej stosowaniu w sektorze motoryzacyjnym jest wyraźny. Przemysł motoryzacyjny stawia niezwykle wysokie wymagania dotyczące niezawodności, dlatego niezawodność technologii małych układów scalonych musi zostać udowodniona. Jednak zastosowanie technologii małych układów scalonych na szeroką skalę w motoryzacji jest z pewnością w drodze.
Chen: Nie zauważyłem żadnych istotnych przeszkód. Myślę, że chodzi raczej o konieczność dogłębnego poznania i zrozumienia odpowiednich wymogów certyfikacyjnych. To sięga poziomu metrologii. Jak wytwarzać opakowania spełniające niezwykle rygorystyczne normy motoryzacyjne? Niewątpliwie jednak technologia w tym zakresie stale się rozwija.
Biorąc pod uwagę liczne problemy termiczne i złożoność związaną z komponentami wielowarstwowymi, czy pojawią się nowe profile testów wytrzymałościowych lub inne rodzaje testów? Czy obecne standardy JEDEC mogą obejmować takie zintegrowane systemy?
Chen: Uważam, że musimy opracować bardziej kompleksowe metody diagnostyczne, aby jednoznacznie identyfikować źródła awarii. Omawialiśmy połączenie metrologii z diagnostyką i naszym obowiązkiem jest znalezienie sposobów na budowanie bardziej wytrzymałych pakietów, stosowanie materiałów i procesów wyższej jakości oraz ich walidację.
Kelly: Obecnie prowadzimy studia przypadków z klientami, którzy nauczyli się czegoś z testów na poziomie systemowym, zwłaszcza z testów wpływu temperatury w testach płyt funkcjonalnych, co nie jest objęte testami JEDEC. Testy JEDEC to po prostu testy izotermiczne, obejmujące „wzrost, spadek i zmianę temperatury”. Jednak rozkład temperatury w rzeczywistych obudowach znacznie odbiega od tego, co występuje w rzeczywistości. Coraz więcej klientów chce wcześnie przeprowadzać testy na poziomie systemowym, ponieważ rozumieją tę sytuację, choć nie wszyscy są jej świadomi. Technologia symulacji również odgrywa tu istotną rolę. Jeśli ktoś ma doświadczenie w symulacji kombinacji termiczno-mechanicznej, analiza problemów staje się łatwiejsza, ponieważ wie, na czym skupić się podczas testowania. Testowanie na poziomie systemowym i technologia symulacji wzajemnie się uzupełniają. Jednak ten trend jest wciąż w początkowej fazie.
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 słupków na chipie, rozmieszczonych w odstępach od 50 do 127 mikronów. Jeśli dokładnie przeanalizujemy odpowiednie dane, okaże się, że umieszczenie tych miedzianych słupków na podłożu oraz przeprowadzenie operacji nagrzewania, chłodzenia i lutowania rozpływowego wymaga osiągnięcia precyzji koplanarności rzędu jednej części na sto tysięcy. Precyzja rzędu jednej części na sto tysięcy to 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 deformacji podczas cyklu lutowania rozpływowego? To palący problem, który wymaga rozwiązania.
Chen: Pamiętam dyskusje na temat Ponte Vecchio, w których stosowano lutowanie niskotemperaturowe ze względów montażowych, a nie ze względu na wydajność.
Biorąc pod uwagę, że wszystkie obwody w pobliżu nadal mają problemy termiczne, w jaki sposób należy zintegrować fotonikę?
Roosendaal: Symulacja termiczna musi zostać przeprowadzona dla wszystkich aspektów, a ekstrakcja wysokich częstotliwości jest również konieczna, ponieważ sygnały wejściowe są sygnałami o wysokiej częstotliwości. Dlatego należy rozwiązać kwestie takie jak dopasowanie impedancji i prawidłowe uziemienie. Mogą występować znaczne gradienty temperatury, które mogą występować wewnątrz samego układu scalonego lub między tym, co nazywamy układem „E” (układ elektryczny) a układem „P” (układ fotonowy). Ciekawi mnie, czy powinniśmy zgłębić właściwości termiczne klejów.
To rodzi dyskusje na temat materiałów wiążących, ich wyboru i stabilności w czasie. Jest oczywiste, że technologia łączenia hybrydowego została już zastosowana w praktyce, ale nie trafiła jeszcze do produkcji masowej. Jaki jest obecny stan tej technologii?
Kelly: Wszystkie strony w łańcuchu dostaw zwracają uwagę na technologię hybrydowego łączenia. Obecnie technologia ta jest rozwijana głównie przez odlewnie, ale firmy z branży montażu i testowania półprzewodników (OSAT) również poważnie badają jej komercyjne zastosowania. Klasyczne miedziane, hybrydowe elementy dielektryczne zostały poddane długoterminowej walidacji. Jeśli można kontrolować czystość, proces ten może wytwarzać bardzo wytrzymałe komponenty. Jednak wymagania dotyczące czystości są niezwykle wysokie, a koszty kapitałowe są bardzo wysokie. Mieliśmy już do czynienia z wczesnymi próbami zastosowania w linii produktów AMD Ryzen, gdzie większość pamięci SRAM wykorzystywała technologię hybrydowego łączenia miedzi. Nie widziałem jednak wielu innych klientów stosujących tę technologię. Chociaż znajduje się ona na planach technologicznych wielu firm, wydaje się, że minie jeszcze kilka lat, zanim powiązane zestawy urządzeń spełnią niezależne wymagania dotyczące czystości. Jeśli będzie można ją zastosować w środowisku fabrycznym o nieco niższej czystości niż w typowej fabryce płytek i jeśli uda się osiągnąć niższe koszty, to być może technologia ta spotka się z większym zainteresowaniem.
Chen: Według moich statystyk, na konferencji ECTC w 2024 roku zostanie zaprezentowanych co najmniej 37 artykułów na temat łączenia hybrydowego. Jest to proces wymagający dużej wiedzy specjalistycznej i obejmujący znaczną liczbę precyzyjnych operacji podczas montażu. Dlatego technologia ta z pewnością znajdzie szerokie zastosowanie. Istnieją już pewne przypadki zastosowań, ale w przyszłości stanie się ona bardziej powszechna w różnych dziedzinach.
Czy mówiąc o „dokładnych operacjach”, masz na myśli konieczność znacznych inwestycji finansowych?
Chen: Oczywiście, wymaga to czasu i wiedzy fachowej. Wykonanie tej operacji wymaga bardzo czystego środowiska, co pociąga za sobą nakłady finansowe. Wymaga również odpowiedniego sprzętu, który również wymaga nakładów finansowych. Wiąże się to więc nie tylko z kosztami operacyjnymi, ale także z inwestycjami w infrastrukturę.
Kelly: W przypadku odstępów 15 mikronów lub większych istnieje duże zainteresowanie zastosowaniem technologii wafer-to-wafer z wykorzystaniem miedzianych filarów. Idealnie, wafle są płaskie, a rozmiary chipów nie są zbyt duże, co pozwala na wysokiej jakości lutowanie rozpływowe w niektórych z tych odstępów. Chociaż wiąże się to z pewnymi wyzwaniami, jest znacznie tańsze niż stosowanie technologii hybrydowego łączenia miedzią. Jednak jeśli wymagana precyzja wynosi 10 mikronów lub mniej, sytuacja ulega zmianie. Firmy stosujące technologię układania chipów w stosy osiągną odstępy rzędu mikronów, takie jak 4 lub 5 mikronów, i nie ma alternatywy. Dlatego odpowiednia technologia będzie nieuchronnie rozwijać się. Jednak istniejące technologie są również stale udoskonalane. Dlatego teraz koncentrujemy się na granicach, do których mogą sięgać miedziane filary, i na tym, czy ta technologia wytrzyma wystarczająco długo, aby klienci mogli opóźnić wszelkie inwestycje w projektowanie i „kwalifikacje” w zakresie prawdziwej technologii hybrydowego łączenia miedzią.
Chen: Będziemy wdrażać odpowiednie technologie tylko wtedy, gdy będzie na nie popyt.
Czy obecnie na rynku tworzyw do formowania epoksydowego pojawia się wiele nowych rozwiązań?
Kelly: Masy formierskie uległy znaczącym zmianom. Ich współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE) uległ znacznemu obniżeniu, co czyni je bardziej korzystnymi do odpowiednich zastosowań pod względem 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: Technologia, o której mówimy, nie jest więc powszechnie znana. Nie jest jeszcze w fazie badań, ponieważ wiodące firmy rzeczywiście ją stosują, ale jest kosztowna i ma niską wydajność.
Kelly: Technologia ta jest stosowana głównie w komputerach o wysokiej wydajności. Obecnie jest wykorzystywana nie tylko w centrach danych, ale także w komputerach klasy high-end, a nawet w niektórych urządzeniach przenośnych. Chociaż urządzenia te są stosunkowo niewielkie, nadal charakteryzują się wysoką wydajnością. Jednak w szerszym kontekście procesorów i zastosowań CMOS, jej udział pozostaje stosunkowo niewielki. Dla przeciętnych producentów układów scalonych nie ma potrzeby wdrażania tej technologii.
Otte: Dlatego zaskakujące jest, że ta technologia wkracza do przemysłu motoryzacyjnego. Samochody nie muszą mieć ekstremalnie małych chipów. Mogą pozostać w procesach 20- lub 40-nanometrowych, ponieważ koszt jednego tranzystora w półprzewodnikach jest w tym procesie najniższy.
Kelly: Jednak wymagania obliczeniowe dla systemów ADAS, czyli autonomicznej jazdy, są takie same jak dla komputerów PC ze sztuczną inteligencją (AI) i podobnych urządzeń. Dlatego branża motoryzacyjna musi inwestować w te najnowocześniejsze technologie.
Jeśli cykl życia produktu wynosi pięć lat, czy wdrożenie nowych technologii może przedłużyć okres eksploatacji o kolejne pięć lat?
Kelly: To bardzo rozsądne podejście. Branża motoryzacyjna ma inny punkt widzenia. Rozważmy proste serwomechanizmy lub stosunkowo proste urządzenia analogowe, które istnieją od 20 lat i są bardzo tanie. Wykorzystują one małe układy scalone. Ludzie z branży motoryzacyjnej chcą nadal korzystać z tych produktów. Chcą inwestować wyłącznie w bardzo zaawansowane urządzenia komputerowe z cyfrowymi małymi układami scalonymi i ewentualnie łączyć je z niedrogimi układami analogowymi, pamięcią flash i układami RF. Dla nich model z małymi układami scalonymi ma duży sens, ponieważ mogą zachować wiele niedrogich, stabilnych podzespołów starszej generacji. Nie chcą ani nie muszą wymieniać tych podzespołów. Następnie muszą jedynie dodać wysokiej klasy 5- lub 3-nanometrowy mały układ scalony, aby spełnić funkcje systemu ADAS. W rzeczywistości stosują różne rodzaje małych układów scalonych w jednym produkcie. W przeciwieństwie do komputerów osobistych i komputerów, branża motoryzacyjna 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 układu scalonego nie jest szczególnie wysoka, przemysł motoryzacyjny musi zainwestować w dobre rozwiązania w zakresie zarządzania temperaturą, a nawet rozważyć zastosowanie indowych materiałów termoprzewodzących (TIM), ponieważ warunki środowiskowe są bardzo trudne.
Czas publikacji: 28-04-2025