Puolijohdepakkaus on kehittynyt perinteisistä 1D-piirilevymalleista huippuluokan 3D-hybridisidoksiin kiekkotasolla. Tämä edistysaskel mahdollistaa liitäntävälin yksinumeroisella mikronialueella jopa 1000 Gt/s kaistanleveydellä säilyttäen samalla korkean energiatehokkuuden. Kehittyneiden puolijohdepakkaustekniikoiden ytimessä ovat 2,5D-pakkaus (jossa komponentit sijoitetaan vierekkäin välikerrokselle) ja 3D-pakkaus (johon sisältyy aktiivisten sirujen pystysuora pinoaminen). Nämä tekniikat ovat ratkaisevan tärkeitä HPC-järjestelmien tulevaisuuden kannalta.
2.5D-pakkaustekniikka sisältää erilaisia välikerrosmateriaaleja, joista jokaisella on omat etunsa ja haittansa. Pii (Si) -välikerrokset, mukaan lukien täysin passiiviset piikiekot ja paikalliset piisillat, tunnetaan parhaista johdotusominaisuuksistaan, mikä tekee niistä ihanteellisia korkean suorituskyvyn laskentaan. Ne ovat kuitenkin kalliita materiaalien ja valmistuksen kannalta ja niillä on rajoituksia pakkausalalla. Näiden ongelmien lieventämiseksi paikallisten piisiltojen käyttö lisääntyy, ja siinä käytetään strategisesti piitä silloin, kun hieno toiminnallisuus on kriittistä samalla kun aluerajoituksia käsitellään.
Orgaaniset välikerrokset, joissa käytetään muovattua muovia, ovat kustannustehokkaampi vaihtoehto piille. Niillä on pienempi dielektrisyysvakio, mikä vähentää RC-viivettä pakkauksessa. Näistä eduista huolimatta orgaaniset välikerrokset kamppailevat saavuttaakseen saman tason yhteenliittämisominaisuuksien vähentämisen kuin piipohjaiset pakkaukset, mikä rajoittaa niiden käyttöä korkean suorituskyvyn laskentasovelluksissa.
Lasin välikerrokset ovat herättäneet suurta kiinnostusta erityisesti Intelin äskettäin lanseeratun lasipohjaisten testiajoneuvojen pakkausten jälkeen. Lasilla on useita etuja, kuten säädettävä lämpölaajenemiskerroin (CTE), korkea mittojen vakaus, sileät ja tasaiset pinnat ja kyky tukea paneelien valmistusta, mikä tekee siitä lupaavan ehdokkaan välikerroksille, joiden johdotusominaisuudet ovat verrattavissa piihin. Teknisten haasteiden ohella lasin välikerrosten suurin haittapuoli on kuitenkin kypsymätön ekosysteemi ja nykyinen laajamittaisen tuotantokapasiteetin puute. Ekosysteemin kypsyessä ja tuotantokapasiteetin parantuessa puolijohdepakkausten lasipohjaiset teknologiat saattavat kasvaa ja omaksua entisestään.
3D-pakkaustekniikan kannalta Cu-Cu-kumpumattomasta hybridisidoksesta on tulossa johtava innovatiivinen tekniikka. Tällä edistyneellä tekniikalla saavutetaan pysyviä keskinäisiä yhteyksiä yhdistämällä dielektrisiä materiaaleja (kuten SiO2) upotettuihin metalleihin (Cu). Cu-Cu-hybridisidoksella voidaan saavuttaa alle 10 mikronin etäisyydet, tyypillisesti yksinumeroisella mikronialueella, mikä edustaa merkittävää parannusta perinteiseen mikronystyteknologiaan verrattuna, jonka nystyjävälit ovat noin 40-50 mikronia. Hybridisidoksen etuja ovat lisääntynyt I/O, parannettu kaistanleveys, parannettu 3D-pinoaminen pystysuoraan, parempi tehotehokkuus sekä vähentynyt loisvaikutus ja lämpövastus pohjatäytön puuttumisen vuoksi. Tämä tekniikka on kuitenkin monimutkaista valmistaa ja sen kustannukset ovat korkeammat.
2.5D- ja 3D-pakkausteknologiat kattavat erilaisia pakkaustekniikoita. 2.5D-pakkauksissa välikerrosmateriaalien valinnasta riippuen se voidaan luokitella piipohjaisiin, orgaanisiin ja lasipohjaisiin välikerroksiin, kuten yllä olevasta kuvasta näkyy. 3D-pakkauksissa mikrobump-teknologian kehittämisen tavoitteena on pienentää välimittoja, mutta nykyään hybridisidostekniikalla (suora Cu-Cu-kytkentämenetelmä) voidaan saavuttaa yksinumeroisia välimittoja, mikä merkitsee merkittävää edistystä alalla. .
**Tärkeimmät teknologiatrendit, jotka kannattaa katsoa:**
1. **Suuremmat välikerrosalueet:** IDTechEx ennusti aiemmin, että koska piivälikerrosten vaikeus ylittää kolminkertaisen ristikon kokorajan, 2,5D piisiltaratkaisut korvaisivat pian piivälikerrokset ensisijaisena HPC-sirujen pakkaamisena. TSMC on NVIDIAlle ja muille johtaville HPC-kehittäjille, kuten Googlelle ja Amazonille, suuri 2,5D piivälikerrosten toimittaja, ja yritys ilmoitti äskettäin ensimmäisen sukupolven CoWoS_L:n massatuotannosta 3,5-kertaisen ristikkokoon kanssa. IDTechEx odottaa tämän suuntauksen jatkuvan, ja sen raportissa käsitellään muita edistysaskeleita, jotka kattavat tärkeimmät toimijat.
2. **Paneelitason pakkaus:** Paneelitason pakkauksista on tullut merkittävä painopiste, kuten vuoden 2024 Taiwanin kansainvälisessä puolijohdenäyttelyssä korostettiin. Tämä pakkausmenetelmä mahdollistaa suurempien välikerrosten käytön ja auttaa vähentämään kustannuksia tuottamalla useampia pakkauksia samanaikaisesti. Mahdollisuudestaan huolimatta haasteita, kuten vääntymisen hallintaa, on vielä käsiteltävä. Sen kasvava näkyvyys heijastaa suurempien, kustannustehokkaampien välikerrosten kasvavaa kysyntää.
3. **Lasin välikerrokset:** Lasi on nousemassa vahvaksi ehdokasmateriaaliksi hienon johdotuksen aikaansaamiseksi, joka on verrattavissa piihin lisäetuilla, kuten säädettävällä CTE:llä ja korkeammalla luotettavuudella. Lasivälikerrokset ovat myös yhteensopivia paneelitason pakkauksen kanssa, mikä tarjoaa mahdollisuuden korkeatiheyksiseen johdotukseen paremmin hallittavilla kustannuksilla, mikä tekee siitä lupaavan ratkaisun tuleville pakkaustekniikoille.
4. **HBM-hybridiliitos:** 3D-kupari-kupari (Cu-Cu) -hybridiliitos on keskeinen tekniikka erittäin hienojakoisten pystysuuntaisten liitosten saavuttamiseksi sirujen välillä. Tätä tekniikkaa on käytetty useissa huippuluokan palvelintuotteissa, mukaan lukien AMD EPYC pinotuille SRAM- ja prosessoreille sekä MI300-sarja CPU/GPU-lohkojen pinoamiseen I/O-levyille. Hybridisidoksella odotetaan olevan ratkaiseva rooli tulevissa HBM-kehityksessä, erityisesti DRAM-pinoissa, jotka ylittävät 16-Hi- tai 20-Hi-kerroksia.
5. **Co-Packaged Optical Devices (CPO):** Suuremman tiedonsiirron ja tehokkuuden kasvavan kysynnän myötä optinen liitäntätekniikka on saanut paljon huomiota. Co-packed optical laitteet (CPO) ovat tulossa keskeinen ratkaisu I/O-kaistanleveyden lisäämiseen ja energiankulutuksen vähentämiseen. Perinteiseen sähköiseen siirtoon verrattuna optisella tiedonsiirrolla on useita etuja, kuten pienempi signaalin vaimennus pitkillä etäisyyksillä, pienempi ylikuulumisherkkyys ja huomattavasti suurempi kaistanleveys. Nämä edut tekevät CPO:sta ihanteellisen valinnan dataintensiivisiin, energiatehokkaisiin HPC-järjestelmiin.
**Tärkeimmät katsottavat markkinat:**
2,5D- ja 3D-pakkausteknologioiden kehitystä johtavat päämarkkinat ovat epäilemättä korkean suorituskyvyn tietojenkäsittely (HPC) -sektori. Nämä kehittyneet pakkausmenetelmät ovat ratkaisevan tärkeitä Mooren lain rajoitusten voittamiseksi, mikä mahdollistaa enemmän transistoreja, muistia ja yhteenliitäntöjä yhdessä paketissa. Sirujen hajottaminen mahdollistaa myös prosessisolmujen optimaalisen hyödyntämisen eri toimintalohkojen välillä, kuten I/O-lohkojen erottamisen käsittelylohkoista, mikä lisää tehokkuutta entisestään.
Korkean suorituskyvyn laskennan (HPC) lisäksi myös muilla markkinoilla odotetaan kasvavan kehittyneiden pakkaustekniikoiden käyttöönoton myötä. 5G- ja 6G-sektoreilla innovaatiot, kuten pakkausantennit ja huippuluokan siruratkaisut, muokkaavat langattoman liityntäverkon (RAN) arkkitehtuurien tulevaisuutta. Myös autonomiset ajoneuvot hyötyvät, sillä nämä tekniikat tukevat anturipakettien ja laskentayksiköiden integrointia suurten tietomäärien käsittelyyn varmistaen samalla turvallisuuden, luotettavuuden, kompaktisuuden, tehon ja lämmönhallinnan sekä kustannustehokkuuden.
Kulutuselektroniikka (mukaan lukien älypuhelimet, älykellot, AR/VR-laitteet, PC:t ja työasemat) keskittyy yhä enemmän datan käsittelyyn pienemmissä tiloissa huolimatta siitä, että kustannukset painotetaan entistä enemmän. Kehittyneillä puolijohdepakkauksilla tulee olemaan keskeinen rooli tässä trendissä, vaikka pakkausmenetelmät voivat poiketa HPC:ssä käytetyistä.
Postitusaika: 25.10.2024