Новые тенденции и ключевые рынки в области 2,5D- и 3D-технологий упаковки полупроводников

Новые передовые технологии производства полупроводников, такие как 2,5- и 3-мерная гибридная компоновка, имеют решающее значение для повышения производительности систем в различных областях, таких как искусственный интеллект и высокопроизводительные вычисления (HPC). В этой статье рассматриваются тенденции развития 2,5- и 3-мерных технологий производства полупроводников и ключевые факторы роста рынка. Эти сведения взяты из недавнего отчёта IDTechEx «Усовершенствованная упаковка полупроводников 2025–2035: прогнозы, технологии, применение», в котором подробно рассматриваются технические аспекты технологий упаковки, анализируются проблемы отрасли, прогресс, достигнутый ведущими компаниями, и приводятся прогнозы развития отрасли.

Эволюция технологий упаковки полупроводников

Полупроводниковые корпуса эволюционировали от традиционных одномерных печатных плат до передовых 3D-гибридных соединений на уровне пластин. Это достижение позволяет использовать межсоединения с шагом в диапазоне от одного до нескольких микрометров и пропускной способностью до 1000 ГБ/с, сохраняя при этом высокую энергоэффективность. В основе передовых полупроводниковых корпусных технологий лежат 2,5D-корпуса, в которых компоненты располагаются рядом друг с другом на межслойной плате, и 3D-корпуса, в которых активные микросхемы располагаются вертикально. Эти технологии имеют решающее значение для будущего высокопроизводительных вычислительных систем.

2,5-мерные корпусные технологии включают в себя различные межслойные материалы, каждый из которых обладает своими преимуществами и недостатками. Межслойные материалы на основе кремния (Si), в том числе полнофункциональные пассивные кремниевые пластины и локализованные кремниевые перемычки, известны тем, что обеспечивают наилучшие возможности для разводки, что делает их идеальными для высокопроизводительных вычислений. Однако они отличаются высокой стоимостью как материалов, так и производства, а также имеют ограничения по площади корпуса. Чтобы решить эти проблемы, всё чаще используются локализованные кремниевые перемычки, которые стратегически используются там, где необходимы тонкие элементы, и решают проблему нехватки площади.

Органические разделительные пластины, в которых используется формовочный компаунд, представляют собой более экономичную альтернативу кремнию. Они имеют более низкую диэлектрическую проницаемость, что уменьшает RC-задержку в корпусе. Несмотря на эти преимущества, органические разделительные пластины не позволяют добиться такого же уровня уменьшения размеров межсоединений, как в корпусах на основе кремния, что ограничивает их применение в высокопроизводительных вычислительных системах.

Стеклянные разделительные пластины вызвали значительный интерес, особенно после того, как компания Intel недавно представила тестовый образец на стеклянной основе. Стекло обладает такими преимуществами, как настраиваемый коэффициент теплового расширения (КТР), высокая стабильность размеров, гладкая и плоская поверхность, а также возможность изготовления панелей, что делает его многообещающим кандидатом на роль разделительных пластин с функциями маршрутизации, которые могут соперничать с кремнием. Однако основными недостатками стеклянных разделительных пластин являются незрелая экосистема и отсутствие крупномасштабных производственных мощностей, а также технические сложности. По мере развития экосистемы и совершенствования производственных возможностей технологии на основе стекла в производстве полупроводниковой упаковки могут получить дальнейшее развитие и распространение.

Что касается технологий 3D-упаковки, то гибридное соединение Cu-Cu без перемычек становится ведущей инновацией. Эта передовая технология позволяет создавать постоянные соединения путём объединения диэлектрического материала, такого как SiO2, со встроенным металлом (Cu). При гибридном соединении Cu-Cu шаг перемычек может составлять менее 10 микрометров, обычно в диапазоне от 10 до 100 микрометров. Это значительное улучшение по сравнению с традиционной технологией микровыступов, при которой шаг выступов составляет около 40–50 микрометров. Преимущества гибридного соединения включают в себя увеличенное количество операций ввода-вывода, более высокую пропускную способность, улучшенное 3D-вертикальное расположение, повышенную энергоэффективность, а также снижение паразитных параметров и теплового сопротивления за счёт отсутствия подслоя. Однако этот метод сложен в производстве и требует больших затрат.

Технологии 2,5D и 3D-упаковки включают в себя различные методы упаковки. В 2,5D-упаковке выбор материала межслойного соединения позволяет разделить его на межслойные соединения на основе кремния, на основе органических материалов и на основе стекла. В 3D-упаковке эволюция технологии микровыступов направлена на уменьшение размеров шага. Однако сегодня достижение размеров шага в одну цифру стало возможным благодаря внедрению технологии гибридного соединения. Этот метод напрямую соединяет Cu-Cu, что является значительным достижением в этой области.

Ключевые тенденции в разработке 2,5D- и 3D-упаковки, на которые стоит обратить внимание

1. Более широкие области взаимодействия
Ранее компания IDTechEx прогнозировала, что 2,5-мерные кремниевые мостовые решения вскоре заменят кремниевые разделители в качестве основного варианта для упаковки высокопроизводительных вычислительных чипов из-за ограничений, связанных с кремниевыми разделителями, которые не позволяют превышать размер маски 3x. Компания TSMC, ключевой поставщик 2,5-мерных кремниевых разделителей для NVIDIA и других крупных разработчиков высокопроизводительных вычислительных систем, таких как Google и Amazon, недавно объявила о крупносерийном производстве своего первого поколения CoWoS_L с размером маски 3,5x. IDTechEx ожидает, что эта тенденция сохранится, а дальнейшие достижения будут описаны в их отчёте, посвящённом ключевым игрокам.

2. Упаковка на уровне панелей
Упаковка на уровне панели стала приоритетным направлением, о чём говорилось на конференции Semicon Taiwan 2024. Этот метод упаковки позволяет использовать более крупные разделители и помогает сократить расходы за счёт одновременного производства большего количества упаковок. Несмотря на его потенциал, по-прежнему необходимо решать такие проблемы, как управление деформацией. Его растущая популярность отражает растущий спрос на более крупные и экономичные разделители.

3. Стеклянные вставки
Стекло становится перспективным материалом для создания тонких дорожек, сравнимых с кремниевыми, с такими дополнительными преимуществами, как настраиваемый коэффициент теплового расширения (CTE) и повышенная надёжность. Стеклянные прослойки также совместимы с корпусами на уровне панелей, что позволяет создавать дорожки высокой плотности по более доступной цене, что делает их перспективным решением для будущих технологий корпусирования.

4. Гибридное склеивание для HBMS
3D-гибридное соединение медь-медь (Cu-Cu) — важнейшая технология, обеспечивающая сверхтонкие вертикальные соединения между чипами. Эта технология уже используется в нескольких серверных продуктах высокого класса, в том числе в EPYC от AMD для объединения SRAM и процессоров, а также в серии MI300 для объединения плиток ЦП/ГП на плитках ввода-вывода. Ожидается, что гибридное соединение будет играть ключевую роль в будущих разработках HBM, особенно для стеков DRAM, состоящих более чем из 16 или 20 слоев.

5. Технология совместной упаковки оптических соединений (CPO)
получила значительное распространение в связи с растущей потребностью в увеличении пропускной способности данных наряду с повышением энергоэффективности. Комбинированная оптика (CPO) становится ключевым решением для увеличения пропускной способности ввода-вывода и снижения энергопотребления. Оптическая связь обладает множеством преимуществ по сравнению с традиционной передачей электроэнергии, включая меньшее ухудшение качества сигнала на расстоянии, меньшую подверженность перекрестным помехам и значительно более высокую пропускную способность. Эти преимущества делают CPO идеальным решением для высокопроизводительных систем HPC с большим объемом данных.

Ключевые рынки, за которыми стоит следить

Основным рынком, стимулирующим развитие 2,5- и 3-мерных технологий упаковки, несомненно, является сектор высокопроизводительных вычислений (HPC). Эти передовые методы упаковки имеют решающее значение для преодоления ограничений закона Мура, позволяя размещать больше транзисторов, памяти и межсоединений в одном корпусе. Разделение микросхем на блоки также позволяет оптимально использовать технологические узлы в различных функциональных блоках, например, отделяя блоки ввода-вывода от вычислительных блоков, что ещё больше повышает эффективность.

Помимо высокопроизводительных вычислений, другие рынки готовы к росту за счёт внедрения передовых технологий упаковки. В секторах 5G и 6G такие инновации, как «антенна в корпусе» и передовые микропроцессорные решения, определят будущее архитектур сетей радиодоступа (RAN). Автономные транспортные средства также выиграют от этого, поскольку эти технологии поддерживают интеграцию наборов датчиков и вычислительных устройств для обработки больших объёмов данных, обеспечивая при этом безопасность, надёжность, компактность, управление питанием и температурой, а также экономическую эффективность.

Потребительская электроника, в том числе смартфоны, смарт-часы, устройства дополненной и виртуальной реальности, ПК и рабочие станции, несмотря на более низкую стоимость, всё больше ориентируется на обработку больших объёмов данных в меньших пространствах. Передовые технологии упаковки полупроводников будут играть ключевую роль в этой тенденции, хотя методы упаковки будут отличаться от тех, что используются в высокопроизводительных вычислениях.

Автор: доктор Ю-Хан Чанг, главный технический аналитик IDTechEx

Сообщение Новые тенденции и ключевые рынки в области 2,5D- и 3D-технологий упаковки полупроводников появились сначала на Время электроники.