Puolijohdepakkaus on kehittynyt perinteisistä 1D-piirilevysuunnitteluista huippuluokan 3D-hybridiliitoksiin kiekkojen tasolla. Tämä edistysaskel mahdollistaa yhteenliitäntöjen etäisyyden jopa mikronin tarkkuudella ja jopa 1000 Gt/s kaistanleveydellä säilyttäen samalla korkean energiatehokkuuden. Edistyneiden puolijohdepakkausteknologioiden ytimessä ovat 2,5D-pakkaus (jossa komponentit sijoitetaan vierekkäin välikerrokselle) ja 3D-pakkaus (jossa aktiivisirut pinotaan pystysuunnassa). Nämä teknologiat ovat ratkaisevan tärkeitä HPC-järjestelmien tulevaisuudelle.
2.5D-pakkaustekniikka käyttää erilaisia välikerrosmateriaaleja, joilla jokaisella on omat etunsa ja haittansa. Piistä (Si) valmistetut välikerrokset, mukaan lukien täysin passiiviset piikiekot ja paikalliset piisillat, tunnetaan parhaista johdotusominaisuuksistaan, mikä tekee niistä ihanteellisia suurteholaskentaan. Ne ovat kuitenkin kalliita materiaalien ja valmistuksen suhteen, ja niillä on rajoituksia pakkauspinta-alalla. Näiden ongelmien ratkaisemiseksi paikallisten piisiltojen käyttö lisääntyy, ja niissä käytetään strategisesti piitä siellä, missä hienojakoinen toiminnallisuus on kriittistä, samalla kun otetaan huomioon pinta-alaan liittyvät rajoitukset.
Orgaaniset välikerrokset, joissa käytetään viuhkavalettuja muoveja, ovat kustannustehokkaampi vaihtoehto piille. Niillä on alhaisempi dielektrinen vakio, mikä vähentää RC-viivettä pakkauksessa. Näistä eduista huolimatta orgaanisilla välikerroksilla on vaikeuksia saavuttaa sama yhteenliitäntäominaisuuksien vähentämisen taso kuin piipohjaisilla pakkauksilla, mikä rajoittaa niiden käyttöönottoa suurteholaskentasovelluksissa.
Lasiset välikerrokset ovat herättäneet merkittävää kiinnostusta, erityisesti Intelin hiljattain lanseerattua lasipohjaisen testiajoneuvopakkauksen. Lasilla on useita etuja, kuten säädettävä lämpölaajenemiskerroin (CTE), korkea mittapysyvyys, sileät ja tasaiset pinnat sekä kyky tukea paneelien valmistusta, mikä tekee siitä lupaavan ehdokkaan välikerrokseksi, jonka johdotusominaisuudet ovat verrattavissa piihin. Teknisten haasteiden lisäksi lasisten välikerrosten suurin haittapuoli on kuitenkin kehittymätön ekosysteemi ja nykyinen laajamittaisen tuotantokapasiteetin puute. Ekosysteemin kypsyessä ja tuotantokapasiteetin parantuessa lasipohjaiset teknologiat puolijohdepakkauksissa saattavat kasvaa ja yleistyä entisestään.
3D-pakkausteknologian saralla kupari-kuopumaton hybridiliitos on nousemassa johtavaksi innovatiiviseksi teknologiaksi. Tämä edistynyt tekniikka saavuttaa pysyviä yhteyksiä yhdistämällä dielektrisiä materiaaleja (kuten SiO2) upotettuihin metalleihin (Cu). Kupari-kuopumaliitoksella voidaan saavuttaa alle 10 mikronin välejä, tyypillisesti alle 10 mikronin tarkkuudella, mikä on merkittävä parannus perinteiseen mikrokuopumatekniikkaan verrattuna, jossa kuoppujen välykset ovat noin 40–50 mikronia. Hybridiliitoksen etuja ovat lisääntynyt I/O, parempi kaistanleveys, parannettu 3D-pystypinoaminen, parempi energiatehokkuus sekä vähentyneet loisvaikutukset ja lämmönkestävyys pohjatäytteen puuttumisen ansiosta. Tämän teknologian valmistus on kuitenkin monimutkaista ja sen kustannukset ovat korkeammat.
2.5D- ja 3D-pakkaustekniikat kattavat useita pakkaustekniikoita. 2.5D-pakkauksissa välikerrosmateriaalien valinnasta riippuen ne voidaan luokitella piipohjaisiin, orgaanisiin ja lasipohjaisiin välikerroksiin, kuten yllä olevassa kuvassa on esitetty. 3D-pakkauksissa mikrokohoumateknologian kehittämisen tavoitteena on pienentää välimittoja, mutta nykyään hybridiliitostekniikan (suora Cu-Cu-liitäntämenetelmä) avulla voidaan saavuttaa yhden numeron mittaisia välimittoja, mikä on merkittävä edistysaskel alalla.
**Keskeiset seurattavat teknologiset trendit:**
1. **Suuremmat välikerrosalueet:** IDTechEx ennusti aiemmin, että koska piipohjaisten välikerrosten on vaikea ylittää kolminkertaista ristikkokokoa, 2,5D-piisiltaratkaisut korvaisivat pian piipohjaiset välikerrokset ensisijaisena vaihtoehtona HPC-sirujen pakkaamiseen. TSMC on merkittävä 2,5D-piipohjaisten välikerrosten toimittaja NVIDIAlle ja muille johtaville HPC-kehittäjille, kuten Googlelle ja Amazonille, ja yritys ilmoitti äskettäin ensimmäisen sukupolven CoWoS_L-piirinsä massatuotannosta 3,5-kertaisella ristikkokoolla. IDTechEx odottaa tämän trendin jatkuvan, ja sen raportissa käsitellään merkittäviä toimijoita kattavasti tulevia edistysaskeleita.
2. **Paneelitason pakkaaminen:** Paneelitason pakkaaminen on noussut merkittäväksi painopisteeksi, kuten vuoden 2024 Taiwanin kansainvälisessä puolijohdenäyttelyssä korostettiin. Tämä pakkausmenetelmä mahdollistaa suurempien välikerrosten käytön ja auttaa vähentämään kustannuksia tuottamalla useampia pakkauksia samanaikaisesti. Potentiaalistaan huolimatta haasteisiin, kuten vääntymisen hallintaan, on vielä puututtava. Sen kasvava merkitys heijastaa kasvavaa kysyntää suuremmille ja kustannustehokkaammille välikerroksille.
3. **Lasiset välikerrokset:** Lasista on tulossa vahva ehdokasmateriaali hienojohdotuksen saavuttamiseksi, joka on verrattavissa piihin, ja jolla on lisäetuja, kuten säädettävä CTE ja parempi luotettavuus. Lasiset välikerrokset ovat myös yhteensopivia paneelitason pakkausten kanssa, mikä tarjoaa mahdollisuuden tiheään johdotukseen hallittavammilla kustannuksilla. Tämä tekee siitä lupaavan ratkaisun tulevaisuuden pakkausteknologioille.
4. **HBM-hybridiliimaus:** Kolmiulotteinen kupari-kupari (Cu-Cu) hybridiliimaus on keskeinen tekniikka erittäin hienojakoisten pystysuuntaisten liitosten saavuttamiseksi sirujen välillä. Tätä tekniikkaa on käytetty useissa huippuluokan palvelintuotteissa, mukaan lukien AMD EPYC pinottujen SRAM- ja CPU-piirien osalta sekä MI300-sarja CPU/GPU-lohkojen pinoamiseen I/O-piirien päälle. Hybridiliimauksen odotetaan olevan ratkaisevassa roolissa HBM:n tulevaisuuden kehityksessä, erityisesti yli 16-Hi- tai 20-Hi-kerrosten DRAM-pinoissa.
5. **Yhteen pakatut optiset laitteet (CPO):** Kasvavan tiedonsiirtonopeuden ja energiatehokkuuden kysynnän myötä optinen yhteenliitäntätekniikka on saanut huomattavaa huomiota. Yhteen pakatuista optisista laitteista (CPO) on tulossa keskeinen ratkaisu I/O-kaistanleveyden parantamiseen ja energiankulutuksen vähentämiseen. Perinteiseen sähköiseen tiedonsiirtoon verrattuna optinen tiedonsiirto tarjoaa useita etuja, kuten pienemmän signaalin vaimennuksen pitkillä etäisyyksillä, pienentyneen ylikuulumisherkkyyden ja merkittävästi suuremman kaistanleveyden. Nämä edut tekevät CPO:sta ihanteellisen vaihtoehdon dataintensiivisille ja energiatehokkaille HPC-järjestelmille.
**Tärkeimmät seurattavat markkinat:**
2,5D- ja 3D-pakkausteknologioiden kehitystä ajava ensisijainen markkina-alue on epäilemättä suurteholaskenta (HPC). Nämä edistyneet pakkausmenetelmät ovat ratkaisevan tärkeitä Mooren lain rajoitusten voittamisessa, sillä ne mahdollistavat enemmän transistoreita, muistia ja liitäntöjä yhdessä paketissa. Sirujen hajottaminen mahdollistaa myös prosessisolmujen optimaalisen hyödyntämisen eri toiminnallisten lohkojen välillä, kuten I/O-lohkojen erottamisen prosessointilohkoista, mikä parantaa entisestään tehokkuutta.
Suurteholaskennan (HPC) lisäksi myös muiden markkinoiden odotetaan kasvavan edistyneiden pakkausteknologioiden käyttöönoton myötä. 5G- ja 6G-sektoreilla innovaatiot, kuten pakkausantennit ja huippuluokan siruratkaisut, muokkaavat langattomien tukiasuverkkojen (RAN) arkkitehtuurien tulevaisuutta. Myös autonomiset ajoneuvot hyötyvät, sillä nämä teknologiat tukevat anturisarjojen ja laskentayksiköiden integrointia suurten tietomäärien käsittelyyn samalla varmistaen turvallisuuden, luotettavuuden, kompaktiuden, virrankulutuksen ja lämmönhallinnan sekä kustannustehokkuuden.
Kulutuselektroniikka (mukaan lukien älypuhelimet, älykellot, AR/VR-laitteet, tietokoneet ja työasemat) keskittyy yhä enemmän suurempien tietomäärien käsittelyyn pienemmissä tiloissa, vaikka kustannuksiin kiinnitetäänkin enemmän huomiota. Edistykselliset puolijohdepakkaukset ovat avainasemassa tässä trendissä, vaikka pakkausmenetelmät voivat poiketa suurteholaskentaan käytetyistä menetelmistä.
Julkaisun aika: 07.10.2024