Autotööstuse kiibitööstus on muutuste läbimas
Hiljuti arutas pooljuhtide insenerimeeskond väikeseid kiipe, hübriidühendust ja uusi materjale Michael Kellyga, kes on Amkori väikese kiibi ja FCBGA integratsiooni asepresident. Arutelus osalesid ka ASE teadur William Chen, Promex Industries'i tegevjuht Dick Otte ja Sander Roosendaal, Synopsys Photonics Solutionsi teadus- ja arendusdirektor. Allpool on väljavõtted sellest arutelust.
Aastaid ei olnud autokiipide arendamine tööstuses juhtpositsioonil. Elektriautode leviku ja täiustatud teabe- ja meelelahutussüsteemide arenguga on olukord aga dramaatiliselt muutunud. Milliseid probleeme olete märganud?
Kelly: Tipptasemel ADAS (täiustatud juhiabisüsteemid) nõuab turul konkurentsivõimeliseks jäämiseks protsessoreid, mille protsessorite protsessor on 5-nanomeetrine või väiksem. Kui olete 5-nanomeetrise protsessiga liitunud, peate arvestama kiipide maksumusega, mis sunnib hoolikalt kaaluma väikeste kiipide lahendusi, kuna 5-nanomeetrise protsessiga on raske suuri kiipe toota. Lisaks on saagikus madal, mis toob kaasa äärmiselt kõrged kulud. 5-nanomeetriste või keerukamate protsesside puhul kaaluvad kliendid tavaliselt 5-nanomeetrise kiibi osa valimist kogu kiibi kasutamise asemel, suurendades samal ajal investeeringuid pakendamisetappi. Nad võivad mõelda: "Kas oleks kulutõhusam variant saavutada vajalik jõudlus sel viisil, selle asemel, et proovida kõiki funktsioone täita suuremas kiibis?" Seega, jah, tipptasemel autotootjad pööravad kindlasti tähelepanu väikeste kiipide tehnoloogiale. Valdkonna juhtivad ettevõtted jälgivad seda tähelepanelikult. Võrreldes arvutitööstusega on autotööstus väikeste kiipide tehnoloogia rakendamisel tõenäoliselt 2–4 aastat maas, kuid selle rakendamise trend autotööstuses on selge. Autotööstuses on äärmiselt kõrged töökindluse nõuded, seega tuleb väikeste kiipide tehnoloogia töökindlust tõestada. Väikeste kiipide tehnoloogia laialdane rakendamine autotööstuses on aga kindlasti teel.
Chen: Ma ei ole märganud mingeid olulisi takistusi. Ma arvan, et see on pigem seotud vajadusega õppida ja mõista asjakohaseid sertifitseerimisnõudeid põhjalikult. See ulatub tagasi metroloogia tasemele. Kuidas me toodame pakette, mis vastavad äärmiselt rangetele autotööstuse standarditele? Kuid on kindel, et vastav tehnoloogia areneb pidevalt.
Arvestades mitme kiibiga komponentidega seotud paljusid termilisi probleeme ja keerukust, kas tuleb uusi koormustesti profiile või erinevat tüüpi teste? Kas praegused JEDEC-i standardid saavad selliseid integreeritud süsteeme hõlmata?
Chen: Usun, et peame välja töötama põhjalikumad diagnostikameetodid, et rikete allikas selgelt tuvastada. Oleme arutanud metroloogia ja diagnostika ühendamist ning meil on kohustus välja selgitada, kuidas luua vastupidavamaid pakette, kasutada kvaliteetsemaid materjale ja protsesse ning neid valideerida.
Kelly: Tänapäeval viime läbi kliendijuhtumeid, kus nad on süsteemi tasemel testimisest midagi õppinud, eriti funktsionaalsete plaatide testide temperatuurimõjude testimisest, mida JEDEC-testimine ei hõlma. JEDEC-testimine on lihtsalt isotermiline testimine, mis hõlmab "temperatuuri tõusu, langust ja temperatuuri üleminekut". Temperatuurijaotus tegelikes pakendites on aga kaugel sellest, mis reaalses maailmas toimub. Üha rohkem kliente soovib süsteemi tasemel testimist varakult läbi viia, sest nad mõistavad seda olukorda, kuigi mitte kõik pole sellest teadlikud. Siin mängib rolli ka simulatsioonitehnoloogia. Kui keegi on osav termiliselt-mehaaniliselt kombineeritud simulatsioonis, muutub probleemide analüüsimine lihtsamaks, sest ta teab, millistele aspektidele testimise ajal keskenduda. Süsteemi tasemel testimine ja simulatsioonitehnoloogia täiendavad teineteist. See suundumus on aga alles algusjärgus.
Kas küpse tehnoloogiaga sõlmedes on rohkem termilisi probleeme, millega tegeleda, kui varem?
Otte: Jah, aga viimase paari aasta jooksul on tasapinnalisuse probleemid muutunud üha olulisemaks. Näeme kiibil 5000 kuni 10 000 vasksammast, mis paiknevad üksteisest 50 mikroni ja 127 mikroni kaugusel. Kui uurite asjakohaseid andmeid lähemalt, näete, et nende vasksammaste asetamine aluspinnale ning kuumutamise, jahutamise ja ümberjootmise toimingute tegemine nõuab umbes ühe saja tuhande täpsusega tasapinnalisuse täpsuse saavutamist. Üks saja tuhande täpsusega osa on nagu rohulible leidmine jalgpalliväljaku pikkuselt. Oleme ostnud mõned suure jõudlusega Keyence'i tööriistad kiibi ja aluspinna tasapinnalisuse mõõtmiseks. Loomulikult tekib küsimus, kuidas seda moonutusnähtust ümberjootmise tsükli ajal kontrollida? See on pakiline küsimus, millega tuleb tegeleda.
Chen: Ma mäletan arutelusid Ponte Vecchio kohta, kus nad kasutasid madala temperatuuriga jootet pigem kokkupaneku kui jõudluse kaalutlustel.
Arvestades, et kõigil lähedalasuvatel vooluringidel on endiselt termilisi probleeme, kuidas peaks fotoonika sellesse integreerima?
Roosendaal: Termilist simulatsiooni tuleb läbi viia kõigi aspektide jaoks ja samuti on vajalik kõrgsageduslik ekstraheerimine, kuna sisenevad signaalid on kõrgsageduslikud signaalid. Seetõttu tuleb tegeleda selliste küsimustega nagu impedantsi sobitamine ja nõuetekohane maandus. Võib esineda olulisi temperatuurigradiente, mis võivad esineda kiibi enda sees või niinimetatud "E"-kiibi (elektrikiibi) ja "P"-kiibi (footonkiibi) vahel. Olen uudishimulik, kas peaksime liimide termilisi omadusi põhjalikumalt uurima.
See tekitab arutelusid liimmaterjalide, nende valiku ja ajalise stabiilsuse üle. On ilmne, et hübriidliimtehnoloogiat on reaalses maailmas rakendatud, kuid masstootmises pole seda veel kasutatud. Milline on selle tehnoloogia praegune seis?
Kelly: Kõik tarneahela osapooled pööravad tähelepanu hübriidliimimistehnoloogiale. Praegu on selle tehnoloogia eesotsas peamiselt valukojad, kuid OSAT-i (välismaal pakutava pooljuhtide montaaži ja testimise) ettevõtted uurivad tõsiselt ka selle kommertsrakendusi. Klassikalised vaskhübriiddielektrilised liimimiskomponendid on läbinud pikaajalise valideerimise. Kui puhtust saab kontrollida, saab selle protsessiga toota väga vastupidavaid komponente. Sellel on aga äärmiselt kõrged puhtusnõuded ja kapitalikulud on väga kõrged. Varajasi rakenduskatseid kogesime AMD Ryzeni tootesarjas, kus enamik SRAM-e kasutas vaskhübriidliimimistehnoloogiat. Ma pole aga näinud palju teisi kliente seda tehnoloogiat rakendamas. Kuigi see on paljude ettevõtete tehnoloogia tegevuskavades, näib, et seotud seadmete komplektide vastavusse viimine sõltumatutele puhtusnõuetele võtab veel paar aastat. Kui seda saab rakendada tehasekeskkonnas, kus puhtus on veidi madalam kui tüüpilisel kiibitootjal, ja kui on võimalik saavutada madalamaid kulusid, siis ehk pööratakse sellele tehnoloogiale rohkem tähelepanu.
Chen: Minu statistika kohaselt esitletakse 2024. aasta ECTC konverentsil vähemalt 37 hübriidliimimise teemalist ettekannet. See on protsess, mis nõuab palju oskusteavet ja hõlmab kokkupaneku ajal märkimisväärsel hulgal peeneid toiminguid. Seega leiab see tehnoloogia kindlasti laialdast rakendust. Mõned rakendusjuhtumid on juba olemas, kuid tulevikus muutub see erinevates valdkondades levinumaks.
Kui mainite "peenoperatsioone", kas peate silmas vajadust märkimisväärse finantsinvesteeringu järele?
Chen: Muidugi hõlmab see aega ja oskusteavet. Selle operatsiooni läbiviimine nõuab väga puhast keskkonda, mis omakorda nõuab rahalisi investeeringuid. Samuti on vaja vastavat varustust, mis omakorda nõuab rahastamist. Seega hõlmab see lisaks tegevuskuludele ka investeeringuid rajatistesse.
Kelly: Juhtudel, kus vahekaugus on 15 mikronit või rohkem, on märkimisväärne huvi vasksammaste kiibi-kiibi tehnoloogia kasutamise vastu. Ideaalis on kiibid tasased ja kiibi suurused ei ole väga suured, mis võimaldab mõne sellise vahekauguse korral kvaliteetset ümbervoolamist. Kuigi see tekitab mõningaid väljakutseid, on see palju odavam kui vaskhübriidliimimistehnoloogia kasutamine. Kui aga täpsusnõue on 10 mikronit või vähem, muutub olukord. Kiibivirnastustehnoloogiat kasutavad ettevõtted saavutavad ühekohalise mikroni suuruse vahekauguse, näiteks 4 või 5 mikronit, ja alternatiivi pole. Seetõttu areneb vastav tehnoloogia paratamatult. Ka olemasolevad tehnoloogiad täiustuvad pidevalt. Seega keskendume nüüd sellele, millisesse piirini vasksambad võivad ulatuda ja kas see tehnoloogia kestab piisavalt kaua, et kliendid saaksid edasi lükata kõik tõelise vaskhübriidliimimistehnoloogia projekteerimis- ja "kvalifitseerimis"investeeringud.
Chen: Me võtame asjakohaseid tehnoloogiaid kasutusele ainult siis, kui on nõudlus.
Kas epoksüüdvormimise segude valdkonnas on praegu palju uusi arenguid?
Kelly: Vormimassid on läbi teinud olulisi muutusi. Nende CTE (soojuspaisumistegur) on oluliselt vähenenud, mistõttu on need rõhu seisukohast asjakohaste rakenduste jaoks soodsamad.
Otte: Tulles tagasi meie eelmise arutelu juurde, kui palju pooljuhtkiipe toodetakse praegu 1- või 2-mikronise vahekaugusega?
Kelly: Märkimisväärne osa.
Chen: Tõenäoliselt vähem kui 1%.
Otte: Seega ei ole arutlusel olev tehnoloogia laialt levinud. See ei ole veel uurimisfaasis, kuna juhtivad ettevõtted seda tehnoloogiat küll rakendavad, kuid see on kulukas ja madala saagikusega.
Kelly: Seda rakendatakse peamiselt suure jõudlusega andmetöötluses. Tänapäeval kasutatakse seda lisaks andmekeskustele ka tipptasemel arvutites ja isegi mõnedes pihuarvutites. Kuigi need seadmed on suhteliselt väikesed, on neil siiski suur jõudlus. Laiemas protsessorite ja CMOS-rakenduste kontekstis jääb selle osakaal siiski suhteliselt väikeseks. Tavapäraste kiibitootjate jaoks pole selle tehnoloogia kasutuselevõtuks vajadust.
Otte: Seepärast on üllatav näha selle tehnoloogia sisenemist autotööstusesse. Autod ei vaja üliväikeseid kiipe. Need võivad jääda 20 või 40 nanomeetri protsesside juurde, kuna pooljuhtide transistori hind on selle protsessi puhul madalaim.
Kelly: ADAS-i või autonoomse sõidu arvutusnõuded on aga samad, mis tehisintellektiga arvutitel või sarnastel seadmetel. Seetõttu peab autotööstus investeerima nendesse tipptehnoloogiatesse.
Kui tootetsükkel on viis aastat, kas uute tehnoloogiate kasutuselevõtt võiks eelist veel viie aasta võrra pikendada?
Kelly: See on väga mõistlik punkt. Autotööstusel on teine vaatenurk. Mõelge lihtsatele servokontrolleritele või suhteliselt lihtsatele analoogseadmetele, mis on eksisteerinud 20 aastat ja on väga odavad. Need kasutavad väikeseid kiipe. Autotööstuse inimesed tahavad neid tooteid edasi kasutada. Nad tahavad investeerida ainult väga tipptasemel arvutiseadmetesse, millel on digitaalsed väikesed kiibid, ja võimalusel siduda need odavate analoogkiipide, välkmälu ja raadiosageduskiipidega. Nende jaoks on väikese kiibi mudel väga mõistlik, sest nad saavad säilitada palju odavaid, stabiilseid, vanema põlvkonna osi. Nad ei taha neid osi muuta ega pea seda tegema. Seejärel peavad nad lihtsalt lisama tipptasemel 5-nanomeetrise või 3-nanomeetrise väikese kiibi, et täita ADAS-osa funktsioone. Tegelikult rakendavad nad ühes tootes erinevat tüüpi väikeseid kiipe. Erinevalt personaalarvutite ja arvutite valdkonnast on autotööstusel mitmekesisem rakenduste valik.
Chen: Pealegi ei pea neid kiipe mootori kõrvale paigaldama, seega on keskkonnatingimused suhteliselt paremad.
Kelly: Autode keskkonnatemperatuur on üsna kõrge. Seega, isegi kui kiibi võimsus pole eriti suur, peab autotööstus investeerima headesse soojushalduslahendustesse ja võib isegi kaaluda indiumi TIM-i (termilise liidese materjalide) kasutamist, kuna keskkonnatingimused on väga karmid.
Postituse aeg: 28. aprill 2025