Autoteollisuuden siruteollisuus on muutosten kourissa
Hiljattain puolijohdetekniikan tiimi keskusteli pienistä siruista, hybridiliitoksista ja uusista materiaaleista Michael Kellyn, Amkorin pienten sirujen ja FCBGA-integraation varatoimitusjohtajan, kanssa. Keskusteluun osallistuivat myös ASE:n tutkija William Chen, Promex Industriesin toimitusjohtaja Dick Otte ja Sander Roosendaal, Synopsys Photonics Solutionsin tutkimus- ja kehitysjohtaja. Alla on otteita tästä keskustelusta.
Autoteollisuuden sirujen kehitys ei ollut pitkään ollut alan johtavaa. Sähköajoneuvojen yleistymisen ja edistyneiden tieto- ja viihdejärjestelmien kehityksen myötä tilanne on kuitenkin muuttunut dramaattisesti. Mitä ongelmia olet huomannut?
Kelly: Huippuluokan ADAS-järjestelmät (Advanced Driver Assistance Systems) edellyttävät markkinoilla kilpailukykyisten prosessorien käyttämistä 5 nanometrin tai sitä pienemmällä prosessilla. Kun siirrytään 5 nanometrin prosessiin, on otettava huomioon kiekkojen kustannukset, mikä johtaa pienten sirujen ratkaisujen huolelliseen harkintaan, koska suurten sirujen valmistaminen 5 nanometrin prosessilla on vaikeaa. Lisäksi saanto on alhainen, mikä johtaa erittäin korkeisiin kustannuksiin. 5 nanometrin tai sitä edistyneempien prosessien kanssa käsiteltäessä asiakkaat harkitsevat tyypillisesti osan 5 nanometrin sirusta valitsemista koko sirun käyttämisen sijaan ja samalla lisäävät investointeja pakkausvaiheeseen. He saattavat ajatella: "Olisiko kustannustehokkaampi vaihtoehto saavuttaa vaadittu suorituskyky tällä tavalla kuin yrittää suorittaa kaikki toiminnot suuremmalla sirulla?" Joten kyllä, huippuluokan autoyritykset kiinnittävät ehdottomasti huomiota pienten sirujen teknologiaan. Alan johtavat yritykset seuraavat tätä tarkasti. Tietojenkäsittelyalaan verrattuna autoteollisuus on luultavasti 2–4 vuotta jäljessä pienten sirujen teknologian soveltamisessa, mutta sen soveltamisen trendi autoteollisuudessa on selvä. Autoteollisuudella on erittäin korkeat luotettavuusvaatimukset, joten pienten sirujen teknologian luotettavuus on todistettava. Pienten sirujen teknologian laajamittainen soveltaminen autoteollisuudessa on kuitenkin varmasti tulossa.
Chen: En ole havainnut merkittäviä esteitä. Mielestäni kyse on enemmänkin siitä, että on opittava ja ymmärrettävä asiaankuuluvat sertifiointivaatimukset perusteellisesti. Tämä palaa metrologian tasolle. Miten valmistamme paketteja, jotka täyttävät erittäin tiukat autoteollisuuden standardit? Mutta on varmaa, että asiaankuuluva teknologia kehittyy jatkuvasti.
Ottaen huomioon monipiirikomponentteihin liittyvät monet lämpöongelmat ja monimutkaisuuden, tuleeko uusia rasituskoeprofiileja tai erityyppisiä testejä? Voivatko nykyiset JEDEC-standardit kattaa tällaiset integroidut järjestelmät?
Chen: Uskon, että meidän on kehitettävä kattavampia diagnostiikkamenetelmiä vikojen lähteen selkeäksi tunnistamiseksi. Olemme keskustelleet metrologian ja diagnostiikan yhdistämisestä, ja meillä on vastuu selvittää, miten voimme rakentaa kestävämpiä paketteja, käyttää korkealaatuisempia materiaaleja ja prosesseja sekä validoida ne.
Kelly: Nykyään teemme tapaustutkimuksia asiakkaiden kanssa, jotka ovat oppineet jotain järjestelmätason testauksesta, erityisesti toiminnallisten piirilevyjen lämpötilavaikutustestauksesta, jota ei käsitellä JEDEC-testauksessa. JEDEC-testaus on pelkästään isotermistä testausta, johon liittyy "lämpötilan nousu, lasku ja lämpötilan muutos". Lämpötilajakauma todellisissa paketeissa on kuitenkin kaukana siitä, mitä tapahtuu todellisessa maailmassa. Yhä useammat asiakkaat haluavat suorittaa järjestelmätason testauksen varhaisessa vaiheessa, koska he ymmärtävät tämän tilanteen, vaikka kaikki eivät olekaan siitä tietoisia. Myös simulointiteknologialla on tässä rooli. Jos on taitava lämpömekaanisessa yhdistelmäsimulaatiossa, ongelmien analysointi helpottuu, koska he tietävät, mihin näkökohtiin testauksen aikana keskittyä. Järjestelmätason testaus ja simulointiteknologia täydentävät toisiaan. Tämä trendi on kuitenkin vielä alkuvaiheessa.
Onko kypsän teknologian solmuissa enemmän lämpöongelmia ratkaistavana kuin aiemmin?
Otte: Kyllä, mutta viimeisten parin vuoden aikana samantasoisuusongelmat ovat tulleet yhä selvemmiksi. Näemme sirulla 5 000–10 000 kuparipilaria, jotka ovat 50–127 mikronin etäisyydellä toisistaan. Jos tutkit asiaankuuluvia tietoja tarkasti, huomaat, että näiden kuparipilareiden sijoittaminen alustalle ja lämmitys-, jäähdytys- ja uudelleensulatejuotostoimintojen suorittaminen vaatii noin yhden sadastuhannesosan samantasoisuustarkkuuden saavuttamisen. Yksi sadastuhannesosatarkkuus on kuin ruohonkorren löytäminen jalkapallokentän pituudelta. Olemme ostaneet joitakin tehokkaita Keyence-työkaluja sirun ja alustan tasaisuuden mittaamiseksi. Seuraava kysymys on tietenkin, miten tätä vääntymisilmiötä voidaan hallita uudelleensulatejuotossyklin aikana? Tämä on polttava kysymys, johon on puututtava.
Chen: Muistan keskusteluja Ponte Vecchiosta, jossa käytettiin matalan lämpötilan juotetta kokoonpanoon liittyvistä syistä eikä suorituskyvyn vuoksi.
Ottaen huomioon, että kaikissa lähellä olevissa piireissä on edelleen lämpöongelmia, miten fotoniikka tulisi integroida tähän?
Roosendaal: Lämpösimulointi on suoritettava kaikilta osin, ja myös korkeataajuisten signaalien erottaminen on välttämätöntä, koska sisään tulevat signaalit ovat korkeataajuisia signaaleja. Siksi on käsiteltävä sellaisia asioita kuin impedanssin sovitus ja asianmukainen maadoitus. Merkittäviä lämpötilagradientteja voi esiintyä itse sirun sisällä tai niin sanotun "E"-sirun (sähkösiru) ja "P"-sirun (fotonisiru) välillä. Olen utelias, onko meidän tarpeen perehtyä liimojen lämpöominaisuuksiin tarkemmin.
Tämä herättää keskustelua liimausmateriaaleista, niiden valinnasta ja pysyvyydestä ajan kuluessa. On selvää, että hybridiliimaustekniikkaa on sovellettu käytännössä, mutta sitä ei ole vielä käytetty massatuotannossa. Mikä on tämän teknologian nykytila?
Kelly: Kaikki toimitusketjun osapuolet kiinnittävät huomiota hybridiliitosteknologiaan. Tällä hetkellä tätä teknologiaa johtavat pääasiassa valimot, mutta myös OSAT-yritykset (Outsourced Semiconductor Assembly and Test) tutkivat vakavasti sen kaupallisia sovelluksia. Klassiset kuparihybridieristeiset liitoskomponentit ovat läpikäyneet pitkäaikaisen validoinnin. Jos puhtautta voidaan hallita, tällä prosessilla voidaan tuottaa erittäin kestäviä komponentteja. Sillä on kuitenkin erittäin korkeat puhtausvaatimukset, ja pääomakustannukset ovat erittäin korkeat. Koimme alustavia sovellusyrityksiä AMD:n Ryzen-tuotelinjassa, jossa suurin osa SRAM-muisteista käytti kuparihybridiliitosteknologiaa. En kuitenkaan ole nähnyt monien muiden asiakkaiden soveltavan tätä teknologiaa. Vaikka se on monien yritysten teknologiasuunnitelmissa, näyttää siltä, että kestää vielä muutaman vuoden, ennen kuin asiaankuuluvat laitekokonaisuudet täyttävät itsenäiset puhtausvaatimukset. Jos sitä voidaan soveltaa tehdasympäristössä, jossa puhtaus on hieman alhaisempi kuin tyypillisessä kiekkotehtaassa, ja jos voidaan saavuttaa alhaisemmat kustannukset, ehkä tämä teknologia saa enemmän huomiota.
Chen: Tilastojeni mukaan vuoden 2024 ECTC-konferenssissa esitellään ainakin 37 hybridiliimausta käsittelevää artikkelia. Tämä prosessi vaatii paljon asiantuntemusta ja sisältää huomattavan määrän hienosäätöoperaatioita kokoonpanon aikana. Joten tätä teknologiaa sovelletaan varmasti laajalti. Joitakin sovellusesimerkkejä on jo olemassa, mutta tulevaisuudessa se yleistyy useilla eri aloilla.
Kun puhut "hienoista toiminnoista", tarkoitatko merkittävän taloudellisen investoinnin tarvetta?
Chen: Tietenkin se vaatii aikaa ja asiantuntemusta. Tämän operaation suorittaminen vaatii erittäin puhtaan ympäristön, mikä edellyttää taloudellisia investointeja. Se vaatii myös asiaankuuluvia laitteita, mikä taas vaatii rahoitusta. Joten tämä ei tarkoita ainoastaan käyttökustannuksia, vaan myös investointeja tiloihin.
Kelly: Tapauksissa, joissa kiekkojen välinen etäisyys on 15 mikronia tai suurempi, on merkittävää kiinnostusta käyttää kuparipilarien kiekkojen välistä teknologiaa. Ihannetapauksessa kiekot ovat litteitä ja sirujen koot eivät ole kovin suuria, mikä mahdollistaa korkealaatuisen uudelleensulatuksen joillakin näistä väleistä. Vaikka tämä aiheuttaa joitakin haasteita, se on paljon halvempaa kuin sitoutuminen kuparihybridiliitostekniikkaan. Jos tarkkuusvaatimus on kuitenkin 10 mikronia tai pienempi, tilanne muuttuu. Sirupinoamistekniikkaa käyttävät yritykset saavuttavat yhden numeron mikronin etäisyydet, kuten 4 tai 5 mikronia, eikä vaihtoehtoa ole. Siksi asiaankuuluva teknologia kehittyy väistämättä. Myös olemassa olevat teknologiat paranevat kuitenkin jatkuvasti. Joten nyt keskitymme siihen, mihin asti kuparipilarit voivat ulottua ja kestääkö tämä teknologia riittävän kauan, jotta asiakkaat voivat lykätä kaikkia suunnittelu- ja "kvalifiointi"-investointeja aitoon kuparihybridiliitostekniikkaan.
Chen: Otamme käyttöön relevantteja teknologioita vain silloin, kun niille on kysyntää.
Onko epoksimuovausyhdisteiden alalla tällä hetkellä paljon uutta kehitystä?
Kelly: Muovausseokset ovat kokeneet merkittäviä muutoksia. Niiden lämpölaajenemiskerroin (CTE) on pienentynyt huomattavasti, mikä tekee niistä suotuisampia paineen kannalta merkityksellisissä sovelluksissa.
Otte: Palatakseni edelliseen keskusteluumme, kuinka monta puolijohdesirua valmistetaan tällä hetkellä 1 tai 2 mikronin jaolla?
Kelly: Merkittävä osa.
Chen: Todennäköisesti alle 1 %.
Otte: Joten keskustelemamme teknologia ei ole valtavirtaa. Se ei ole tutkimusvaiheessa, sillä johtavat yritykset todellakin soveltavat tätä teknologiaa, mutta se on kallista ja sen saanto on alhainen.
Kelly: Tätä käytetään pääasiassa suurteholaskentaan. Nykyään sitä käytetään paitsi datakeskuksissa myös huippuluokan tietokoneissa ja jopa joissakin kannettavissa laitteissa. Vaikka nämä laitteet ovat suhteellisen pieniä, niillä on silti korkea suorituskyky. Laajemmassa prosessorien ja CMOS-sovellusten kontekstissa sen osuus on kuitenkin edelleen suhteellisen pieni. Tavallisilla siruvalmistajilla ei ole tarvetta ottaa tätä teknologiaa käyttöön.
Otte: Siksi on yllättävää nähdä tämän teknologian tulevan autoteollisuuteen. Autojen ei tarvitse olla äärimmäisen pieniä siruja. Ne voivat pysyä 20 tai 40 nanometrin prosesseissa, koska puolijohteiden transistorikustannukset ovat tässä prosessissa alhaisimmat.
Kelly: ADAS-järjestelmien tai autonomisen ajamisen laskennalliset vaatimukset ovat kuitenkin samat kuin tekoälytietokoneiden tai vastaavien laitteiden. Siksi autoteollisuuden on investoitava näihin huipputeknologioihin.
Jos tuotesykli on viisi vuotta, voisiko uusien teknologioiden käyttöönotto pidentää etua vielä viidellä vuodella?
Kelly: Tuo on hyvin järkevä pointti. Autoteollisuudella on toinen näkökulma. Ajatellaanpa yksinkertaisia servo-ohjaimia tai suhteellisen yksinkertaisia analogisia laitteita, jotka ovat olleet olemassa 20 vuotta ja ovat erittäin edullisia. Niissä käytetään pieniä siruja. Autoteollisuuden ihmiset haluavat jatkaa näiden tuotteiden käyttöä. He haluavat investoida vain erittäin huippuluokan tietokonelaitteisiin, joissa on digitaaliset pienet sirut, ja mahdollisesti yhdistää ne edullisiin analogisiin siruihin, flash-muistiin ja RF-siruihin. Heille pienten sirujen malli on erittäin järkevä, koska he voivat säilyttää monia edullisia, vakaita, vanhemman sukupolven osia. He eivät halua eikä tarvitse muuttaa näitä osia. Sitten heidän tarvitsee vain lisätä huippuluokan 5 nanometrin tai 3 nanometrin pieni siru ADAS-osan toimintojen täyttämiseksi. Itse asiassa he käyttävät erityyppisiä pieniä siruja yhdessä tuotteessa. Toisin kuin PC- ja tietokonealoilla, autoteollisuudella on monipuolisempi valikoima sovelluksia.
Chen: Lisäksi näitä siruja ei tarvitse asentaa moottorin viereen, joten ympäristöolosuhteet ovat suhteellisesti paremmat.
Kelly: Autojen ympäristön lämpötila on melko korkea. Siksi, vaikka sirun teho ei olisikaan erityisen korkea, autoteollisuuden on investoitava hyviin lämmönhallintaratkaisuihin ja harkittava jopa indium-TIM:n (lämpörajapintamateriaalien) käyttöä, koska ympäristöolosuhteet ovat erittäin ankarat.
Julkaisuaika: 28.4.2025