Az autóipari chipipar változásokon megy keresztül
A félvezető mérnöki csapat nemrégiben kis chipekről, hibrid kötésről és új anyagokról tárgyalt Michael Kellyvel, az Amkor kis chip- és FCBGA-integrációért felelős alelnökével. A megbeszélésen részt vett William Chen, az ASE kutatója, Dick Otte, a Promex Industries vezérigazgatója, valamint Sander Roosendaal, a Synopsys Photonics Solutions kutatás-fejlesztési igazgatója is. Az alábbiakban részletek olvashatók a megbeszélésből.
Az autóipari chipek fejlesztése évekig nem töltött be vezető szerepet az iparágban. Az elektromos járművek térnyerésével és a fejlett infotainment rendszerek fejlődésével azonban ez a helyzet drámaian megváltozott. Milyen problémákat észlelt?
Kelly: A csúcskategóriás ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) rendszereknek 5 nanométeres vagy annál kisebb eljárással készült processzorokra van szükségük ahhoz, hogy versenyképesek legyenek a piacon. Az 5 nanométeres eljárás bevezetése után figyelembe kell venni a lapkaköltségeket, ami a kis chipek megoldásainak gondos mérlegeléséhez vezet, mivel nehéz nagy chipeket gyártani az 5 nanométeres eljárással. Ráadásul a hozam alacsony, ami rendkívül magas költségeket eredményez. Az 5 nanométeres vagy fejlettebb eljárások esetében az ügyfelek jellemzően az 5 nanométeres chip egy részének kiválasztását fontolgatják a teljes chip használata helyett, miközben növelik a csomagolási szakaszba történő beruházásokat. Gondolkodhatnak azon, hogy „Költséghatékonyabb megoldás lenne-e a szükséges teljesítmény elérése így, mint egy nagyobb chipben megpróbálni az összes funkciót elvégezni?” Tehát igen, a csúcskategóriás autóipari vállalatok mindenképpen figyelmet fordítanak a kis chipek technológiájára. Az iparág vezető vállalatai szorosan figyelemmel kísérik ezt. A számítástechnikai területhez képest az autóipar valószínűleg 2-4 évvel van lemaradva a kis chipek technológiájának alkalmazásában, de az autóipari alkalmazásának trendje egyértelmű. Az autóipar rendkívül magas megbízhatósági követelményeket támaszt, ezért a kis chiptechnológia megbízhatóságát bizonyítani kell. A kis chiptechnológia nagymértékű alkalmazása az autóiparban azonban minden bizonnyal úton van.
Chen: Nem vettem észre semmilyen jelentős akadályt. Szerintem inkább arról van szó, hogy alaposan meg kell tanulni és meg kell érteni a vonatkozó tanúsítási követelményeket. Ez a metrológia szintjére vezethető vissza. Hogyan gyártsunk olyan csomagokat, amelyek megfelelnek a rendkívül szigorú autóipari szabványoknak? De az biztos, hogy a vonatkozó technológia folyamatosan fejlődik.
Tekintettel a többlapkás alkatrészekkel kapcsolatos számos hőmérsékleti problémára és összetettségre, lesznek-e új stresszteszt profilok vagy különböző típusú tesztek? A jelenlegi JEDEC szabványok lefedik-e az ilyen integrált rendszereket?
Chen: Úgy vélem, átfogóbb diagnosztikai módszereket kell kidolgoznunk a hibák forrásának egyértelmű azonosítása érdekében. Megbeszéltük a metrológia és a diagnosztika kombinálását, és felelősségünk kitalálni, hogyan építhetünk robusztusabb csomagokat, hogyan használhatunk jobb minőségű anyagokat és folyamatokat, és hogyan validálhatjuk azokat.
Kelly: Manapság esettanulmányokat végzünk olyan ügyfelekkel, akik tanultak valamit a rendszerszintű tesztelésből, különösen a funkcionális áramköri tesztek hőmérséklet-hatásvizsgálatából, ami nem tartozik a JEDEC tesztelés körébe. A JEDEC tesztelés csupán izotermikus tesztelés, amely "hőmérséklet-emelkedést, -csökkenést és -átmenetet" foglal magában. A tényleges csomagok hőmérséklet-eloszlása azonban messze eltér attól, ami a való világban történik. Egyre több ügyfél szeretne korán rendszerszintű tesztelést végezni, mert érti ezt a helyzetet, bár nem mindenki van tisztában vele. A szimulációs technológia is szerepet játszik itt. Ha valaki jártas a termikus-mechanikai kombinációs szimulációban, a problémák elemzése könnyebbé válik, mert tudja, hogy mely szempontokra kell összpontosítani a tesztelés során. A rendszerszintű tesztelés és a szimulációs technológia kiegészítik egymást. Ez a trend azonban még korai szakaszban van.
Több hőmérsékleti probléma van-e, amit kezelni kell az érett technológiai csomópontoknál, mint a múltban?
Otte: Igen, de az elmúlt néhány évben a koplanaritási problémák egyre hangsúlyosabbá váltak. Egy chipen 5000-10 000 rézoszlopot látunk, 50 és 127 mikron közötti távolságban egymástól. Ha alaposan megvizsgáljuk a vonatkozó adatokat, azt találjuk, hogy ezeknek a rézoszlopoknak a hordozóra helyezése, valamint a fűtés, hűtés és az újraömlesztéses forrasztási műveletek elvégzése körülbelül egy százezredrész koplanaritási pontosságot igényel. Az egy százezredrész pontosság olyan, mintha egy fűszálat találnánk egy futballpálya hosszában. Vásároltunk néhány nagy teljesítményű Keyence eszközt a chip és a hordozó síkjának mérésére. Természetesen felmerül a kérdés, hogyan lehet ezt a vetemedési jelenséget szabályozni az újraömlesztési forrasztási ciklus során? Ez egy sürgető kérdés, amellyel foglalkozni kell.
Chen: Emlékszem a Ponte Vecchio-ról szóló beszélgetésekre, ahol alacsony hőmérsékletű forrasztóanyagot használtak összeszerelési megfontolásokból, nem pedig teljesítménybeli okokból.
Tekintve, hogy a közeli áramkörökben továbbra is hőmérsékleti problémák vannak, hogyan kellene a fotonikát integrálni ebbe?
Roosendaal: A termikus szimulációt minden aspektusra vonatkozóan el kell végezni, és a nagyfrekvenciás extrakció is szükséges, mivel a belépő jelek nagyfrekvenciás jelek. Ezért olyan problémákat kell kezelni, mint az impedanciaillesztés és a megfelelő földelés. Jelentős hőmérséklet-gradiensek lehetnek, amelyek magán a lapkán belül vagy az úgynevezett „E” lapka (elektromos lapka) és a „P” lapka (foton lapka) között létezhetnek. Kíváncsi vagyok, hogy mélyebben kell-e ásnunk a ragasztók termikus jellemzőibe.
Ez vitákat vet fel a kötőanyagokról, azok kiválasztásáról és időbeli stabilitásáról. Nyilvánvaló, hogy a hibrid kötéstechnológiát már alkalmazták a való világban, de tömegtermelésre még nem használták. Mi a technológia jelenlegi állapota?
Kelly: Az ellátási lánc minden szereplője figyelmet fordít a hibrid kötési technológiára. Jelenleg ezt a technológiát főként öntödék vezetik, de az OSAT (Kiszervezett Félvezető Összeszerelés és Tesztelés) vállalatok is komolyan tanulmányozzák kereskedelmi alkalmazásait. A klasszikus réz hibrid dielektromos kötési alkatrészek hosszú távú validáción estek át. Ha a tisztaság szabályozható, ez az eljárás nagyon robusztus alkatrészeket eredményezhet. Azonban rendkívül magas tisztasági követelményekkel rendelkezik, és a beruházási költségek is nagyon magasak. Korai alkalmazási kísérleteket tapasztaltunk az AMD Ryzen termékcsaládjában, ahol a legtöbb SRAM réz hibrid kötési technológiát használt. Azonban nem láttam sok más ügyfelet, aki ezt a technológiát alkalmazta volna. Bár sok vállalat technológiai ütemtervében szerepel, úgy tűnik, hogy még néhány évbe telik, mire a kapcsolódó berendezéscsomagok megfelelnek a független tisztasági követelményeknek. Ha egy tipikus wafergyárnál valamivel alacsonyabb tisztaságú gyári környezetben alkalmazható, és ha alacsonyabb költségek érhetők el, akkor talán ez a technológia nagyobb figyelmet kap.
Chen: A statisztikáim szerint legalább 37 előadást fognak bemutatni a hibrid kötésről a 2024-es ECTC konferencián. Ez egy olyan folyamat, amely sok szakértelmet igényel, és jelentős mennyiségű finomműveletet foglal magában az összeszerelés során. Tehát ez a technológia minden bizonnyal széles körben elterjed majd. Már vannak alkalmazási esetek, de a jövőben egyre elterjedtebbé válik a különböző területeken.
Amikor „finomműveletekről” beszélsz, jelentős pénzügyi befektetés szükségességére gondolsz?
Chen: Természetesen idő és szakértelem kell hozzá. A művelet végrehajtása nagyon tiszta környezetet igényel, ami pénzügyi befektetést tesz szükségessé. Szükség van a kapcsolódó felszerelésre is, ami hasonlóképpen finanszírozást igényel. Tehát ez nemcsak működési költségeket, hanem a létesítményekbe való befektetést is magában foglalja.
Kelly: A 15 mikronos vagy annál nagyobb távolságok esetén jelentős érdeklődés mutatkozik a rézoszlopos lapka-lapka technológia alkalmazása iránt. Ideális esetben a lapkák laposak, és a chipek mérete nem túl nagy, ami lehetővé teszi a kiváló minőségű újraömlesztést ezen távolságok némelyikénél. Bár ez némi kihívást jelent, sokkal olcsóbb, mint a réz-hibrid kötési technológia alkalmazása. Ha azonban a pontossági követelmény 10 mikron vagy annál alacsonyabb, a helyzet megváltozik. A chip-egymásra rakási technológiát alkalmazó vállalatok egyszámjegyű mikronos távolságokat fognak elérni, például 4 vagy 5 mikront, és nincs alternatíva. Ezért a vonatkozó technológia elkerülhetetlenül fejlődni fog. A meglévő technológiák azonban szintén folyamatosan fejlődnek. Tehát most arra összpontosítunk, hogy a rézoszlopok milyen mértékben terjedhetnek ki, és hogy ez a technológia elég sokáig kitart-e ahhoz, hogy az ügyfelek elhalasszák a valódi réz-hibrid kötési technológiába történő összes tervezési és „minősítési” fejlesztési beruházást.
Chen: Csak akkor fogunk releváns technológiákat bevezetni, ha van rájuk igény.
Vannak-e jelenleg új fejlesztések az epoxi öntővegyületek területén?
Kelly: A formázómasszák jelentős változásokon mentek keresztül. Hőtágulási együtthatójuk (CTE) jelentősen csökkent, ami nyomás szempontjából kedvezőbbé tette őket a releváns alkalmazásokhoz.
Otte: Visszatérve az előző beszélgetésünkre, hány félvezető chipet gyártanak jelenleg 1 vagy 2 mikronos osztásközzel?
Kelly: Jelentős arányban.
Chen: Valószínűleg kevesebb, mint 1%.
Otte: Tehát a technológia, amiről beszélünk, nem közismert. Nem a kutatási fázisban van, mivel a vezető vállalatok valóban alkalmazzák, de költséges és alacsony hozamú.
Kelly: Ezt főként nagy teljesítményű számítástechnikában alkalmazzák. Manapság nemcsak adatközpontokban, hanem csúcskategóriás PC-kben és néhány kézi eszközben is használják. Bár ezek az eszközök viszonylag kis méretűek, mégis nagy teljesítményűek. A processzorok és a CMOS-alkalmazások tágabb kontextusában azonban aránya viszonylag kicsi. A hagyományos chipgyártók számára nincs szükség ennek a technológiának az alkalmazására.
Otte: Ezért meglepő látni, hogy ez a technológia belép az autóiparba. Az autóknak nem kell extrém kicsi chipeket gyártaniuk. Maradhatnak a 20 vagy 40 nanométeres eljárásoknál, mivel a félvezetők tranzisztoronkénti költsége ennél az eljárásnál a legalacsonyabb.
Kelly: Az ADAS vagy az önvezető rendszerek számítási követelményei azonban megegyeznek a mesterséges intelligenciával hajtott PC-k vagy hasonló eszközök számítási követelményeivel. Ezért az autóiparnak be kell fektetnie ezekbe a legmodernebb technológiákba.
Ha a termékciklus öt év, akkor az új technológiák bevezetése meghosszabbíthatja-e az előnyt további öt évvel?
Kelly: Ez egy nagyon ésszerű szempont. Az autóiparnak van egy másik nézőpontja is. Vegyük például az egyszerű szervovezérlőket vagy a viszonylag egyszerű analóg eszközöket, amelyek már 20 éve léteznek, és nagyon olcsók. Ezek apró chipeket használnak. Az autóiparban dolgozók továbbra is használni akarják ezeket a termékeket. Csak nagyon csúcskategóriás, digitális kis chipekkel felszerelt számítástechnikai eszközökbe akarnak befektetni, és esetleg ezeket párosítani olcsó analóg chipekkel, flash memóriával és RF chipekkel. Számukra a kis chipes modell nagyon is logikus, mert sok olcsó, stabil, régebbi generációs alkatrészt meg tudnak tartani. Ezeket az alkatrészeket nem akarják, és nem is kell megváltoztatniuk. Ezután csak egy csúcskategóriás 5 nanométeres vagy 3 nanométeres kis chipet kell hozzáadniuk az ADAS rész funkcióinak betöltéséhez. Valójában különféle kis chipeket alkalmaznak egyetlen termékben. A PC-kkel és a számítástechnikával ellentétben az autóiparnak sokkal változatosabb az alkalmazási köre.
Chen: Ráadásul ezeket a chipeket nem kell a motor mellé telepíteni, így a környezeti feltételek viszonylag jobbak.
Kelly: Az autókban a környezeti hőmérséklet meglehetősen magas. Ezért, még ha a chip teljesítménye nem is különösebben magas, az autóiparnak be kell fektetnie némi pénzt a jó hőkezelési megoldásokba, és akár indium TIM (hővezető anyagok) használatát is fontolóra veheti, mivel a környezeti feltételek nagyon zordak.
Közzététel ideje: 2025. április 28.