Прогресс в области упаковки чипов обеспечивает конкурентное преимущество компаниям, поскольку они могут предлагать клиентам больше компонентов

Абстрактный

В быстро развивающейся сфере полупроводниковых технологий упаковка чипов играет ключевую роль в создании меньших, быстрых и мощных электронных устройств. По мере роста спроса на повышенную функциональность устройств компании постоянно вынуждены предлагать своим клиентам больше компонентов в ограниченных форм-факторах. В этом информационном документе рассматриваются последние достижения в области упаковки микросхем, такие как 2,5D и 3D-упаковка, современные материалы и гетерогенная интеграция, а также то, как они обеспечивают конкурентное преимущество компаниям, расширяя их возможности поставлять клиентам больше компонентов без ущерба для производительности. размер или энергоэффективность.

Введение

Полупроводниковая упаковка прошла долгий путь с момента своего появления, когда интегральные схемы заключались в простые пластиковые или керамические корпуса. Сегодня упаковка чипов стала решающим фактором инноваций, позволяя компаниям предлагать своим клиентам больше компонентов и функций в постоянно сокращающихся форм-факторах. Это конкурентное преимущество достигается за счет сочетания технологических достижений, которые повышают плотность, производительность и эффективность полупроводниковых устройств.

Необходимость усовершенствований в упаковке чипов

Спрос на меньшие, более мощные и многофункциональные электронные устройства никогда не был таким высоким. Этот спрос оказывает огромное давление на производителей полупроводников, заставляя их создавать чипы, которые могут вмещать больше компонентов без ущерба для производительности, размера или энергоэффективности. Традиционные методы упаковки имеют ограничения, которые препятствуют интеграции дополнительных компонентов.

История

Традиционные методы упаковки

Зародившаяся в 1950-х годах и актуальная до сих пор, технология проводного соединения служит методом межсоединения, который соединяет печатную плату (PCB) с кремниевым квадратом интегральной схемы, известным как кристалл. Это соединение осуществляется посредством шариков припоя и тонких металлических проволок. Хотя соединение проводов занимает меньше места, чем традиционные корпусные чипы, и позволяет осуществлять соединения на относительно большие расстояния, оно подвержено сбоям в условиях высокой температуры, высокой влажности и циклических изменений температуры. Более того, процесс формирования каждой связи последовательно усложняет и может замедлить производство.

Первое значительное достижение в технологии упаковки произошло в середине 1990-х годов с появлением флип-чипсов. В этом подходе кристалл используется лицевой стороной вниз, используя всю площадь поверхности кристалла для соединения через «выступы» припоя, которые устанавливают связь между печатной платой и кристаллом. Эта конфигурация приводит к меньшему форм-фактору или размеру аппаратного обеспечения и обеспечивает более высокую скорость распространения сигнала, способствуя более быстрой передаче сигнала от передатчика к приемнику. Упаковка с флип-чипом в настоящее время является наиболее распространенной и экономически эффективной технологией, преимущественно используемой в центральных процессорах, смартфонах и радиочастотных комплексных решениях. Хотя флип-чипы обладают такими преимуществами, как компактность сборки и устойчивость к повышенным температурам, их необходимо размещать на исключительно плоских поверхностях, и их нелегко заменить.

Рис. 1. История упаковки полупроводников.

Источник: AnySilicon

Упаковка на уровне пластины

В традиционном процессе упаковки кремниевая пластина сначала разделяется на отдельные чипы, которые впоследствии прикрепляются к печатной плате (PCB) с помощью электрических соединений. Напротив, упаковка на уровне пластины работает по-другому: электрические соединения и формование выполняются на уровне пластины перед сегментацией чипов с помощью лазера. Основное различие между корпусом уровня кристалла на уровне пластины (WLCSP) и флип-чипами, касающееся конфигурации чипа, заключается в отсутствии подложки между кристаллом и печатной платой в WLCSP. Вместо этого слои перераспределения (RDL) заменяют подложку, что приводит к более компактной упаковке и улучшенной теплопроводности.

Рис. 2. Упаковка на уровне пластины

Источник: AnySilicon, IEEE.

Упаковку на уровне пластины можно разделить на два основных типа: входную и выходную. В корпусах на уровне пластины, которые обычно используются для удовлетворения базовых технологических требований в мобильных телефонах бюджетного класса, слои перераспределения (RDL) направлены к центру кристалла. И наоборот, в разветвленной упаковке, представленной в 2007 году, RDL и шарики припоя выходят за пределы размеров кристалла, что позволяет чипу разместить больше входов и выходов, сохраняя при этом тонкий профиль. Разветвленная упаковка представлена ​​в трех вариантах: сердцевина, высокая плотность и сверхвысокая плотность. Базовый корпус в основном используется в автомобильных и сетевых приложениях, которые не требуют передовых технологий, таких как радиочастотные и информационно-развлекательные чипы. Варианты с высокой и сверхвысокой плотностью широко используются в мобильных приложениях и, как ожидается, будут распространены на отдельные сетевые и высокопроизводительные вычислительные приложения. Тайваньская компания по производству полупроводников (TSMC) является крупнейшим в мире производителем корпусов чип-масштаба уровня пластины (WLCSP).

Ожидается, что рынок упаковки на уровне пластин будет расти темпами 21,0% в течение прогнозируемого периода с 2021 по 2028 год. В отчете о рынке упаковки на уровне пластин анализируется рост, который в настоящее время растет из-за надвигающейся потребности в миниатюризации схем в микроэлектронных устройствах.

Чтобы узнать больше об исследовании, посетите https://www.databridgemarketresearch.com/ru/reports/global-wafer-level-packaging-market

Рис. 3. Типы корпусов с входом и выходом вентилятора

Источник: AnySilicon, IEEE.

За последнее десятилетие был достигнут значительный прогресс в области многослойных корпусов Chip-Scale уровня пластины (WLCSP). Это достижение позволяет объединять несколько интегральных схем в одном корпусе, обеспечивая как гетерогенное соединение, объединяющее логику и микросхемы памяти, так и штабелирование микросхем памяти.

В случае 2,5-D укладки два или более чипа располагаются рядом с промежуточным элементом, облегчающим соединение между кристаллами. Существуют различные категории 2,5-D укладки, в зависимости от типа используемого интерпозера:

• Кремниевые переходники требуют использования сквозных кремниевых переходных отверстий (TSV), которые представляют собой вертикальные электрические соединения, проходящие через кремниевый кристалл или пластину. Хотя кремниевые переходники представляют собой зрелую технологию, присутствующую на рынке уже более десяти лет, стоимость кремния значительна и требует передовых технологий и производственных возможностей. CoWoS-S от TSMC (чип на пластине на подложке) является заметным игроком на этом рынке.
• Кремниевые мосты появились относительно недавно. В этих структурах используется меньшее количество кремния по сравнению с традиционными кремниевыми переходниками, что приводит к более тонкому профилю, который снижает энергопотребление и повышает гибкость конструкции. Их преимущество перед традиционными кремниевыми переходниками заключается в их способности обеспечивать расширенную интеграцию на системном уровне, что делает их пригодными для высокопроизводительных вычислений (HPC), таких как искусственный интеллект (ИИ). Типичные технологии включают Intel EMIB (встроенный многокристальный межблочный мост) и CoWoS-L от TSMC.
• Уровни перераспределения (RDL) также могут служить в качестве промежуточных устройств. Ключевым преимуществом этой технологии является то, что процесс фотолитографии, используемый для создания RDL, позволяет создавать точный рисунок, что приводит к увеличению скорости и рассеиванию тепла. CoWoS-R от TSMC (RDL «чип на пластине на подложке») готовится начать массовое производство
• Стекло становится материалом нового поколения для промежуточных устройств. Он предлагает такие преимущества, как низкая стоимость и минимальные потери мощности в высокочастотном диапазоне. Однако для его внедрения на рынок может потребоваться некоторое время.

В области трехмерного стекирования несколько чипов накладываются друг на друга, с промежуточным устройством или без него. Существует два основных типа трехмерного укладки:

• Наиболее распространенный тип — сквозные кремниевые переходные отверстия (TSV) с микровыступами (мк-выступами).
• Новой альтернативой является безударное гибридное соединение, которое устанавливает соединения посредством диэлектрической связи и встроенного металла. Этот подход в настоящее время изучается в первую очередь производителями памяти.

Ограничения традиционной упаковки

• Ограничения по размеру: Традиционные методы упаковки, такие как одночиповые корпуса, имеют ограничения по размеру, из-за которых сложно разместить больше компонентов, особенно в компактных устройствах, таких как смартфоны и носимые устройства.
• Рассеивание тепла: Поскольку чипы становятся более плотно упакованными, рассеивание тепла становится серьезной проблемой. Перегрев может привести к снижению производительности и даже выходу чипа из строя.
• Помехи сигнала: Когда несколько компонентов плотно упакованы вместе, могут возникнуть помехи сигнала, влияющие на общую производительность устройства.
• Ограниченный ввод/вывод: Традиционная упаковка часто ограничивает количество соединений ввода/вывода (I/O), ограничивая возможность интеграции большего количества компонентов.

Достижения в области упаковки чипов

Чтобы устранить эти ограничения и получить конкурентное преимущество, полупроводниковые компании инвестируют в передовые технологии упаковки микросхем. За последние годы появилось несколько ключевых достижений:

Вставка + Подложка

Основополагающим элементом, который делает возможной расширенную упаковку, являются промежуточные устройства. Эти тонкие подложки служат основой для размещения отдельных кристаллов, а также крошечными межсоединениями для прикрепления к основной подложке упаковки. Вставки, используемые в этих усовершенствованных корпусах, изготовлены из трех возможных материалов:

• Кремний, в котором используются сквозные кремниевые переходные отверстия (TSV) для формирования соединений с подложкой корпуса.
• Органический материал, который иногда называют слоем органического перераспределения (RDL).
• Стекло, которое стало желанным в некоторых новейших передовых продуктах.

Рис. 4. Вставка + подложка

Источник: СМГ

2.5D и 3D упаковка

Технологии упаковки 2.5D и 3D предполагают укладку нескольких чипов друг на друга или рядом друг с другом с использованием сквозных кремниевых отверстий (TSV) для обеспечения связи между слоями. Эти технологии дают ряд преимуществ:

• Более высокая плотность компонентов: Объединение микросхем позволяет интегрировать больше компонентов в один корпус, увеличивая функциональность без значительного увеличения размера корпуса.
• Улучшенная производительность: Более короткие межсоединения между сложенными микросхемами уменьшают задержку сигнала, что приводит к повышению общей производительности.
• Улучшенное рассеивание тепла: В 3D-корпусах тепло рассеивается более эффективно, поскольку тепло, выделяемое одним чипом, может распределяться по нескольким слоям.
• Гетерогенная интеграция: Различные типы микросхем, такие как процессоры, память и датчики, можно объединять вместе для создания высокоинтегрированных многофункциональных пакетов.

Рис. 5. Слева: концепция упаковки Flipchip. В центре: интеграция 2.5D на интерпозере. Справа: 3D-интеграция на интерпозере.

Источник: Электронные чипы

Передовые материалы

Были разработаны новые материалы для повышения производительности и эффективности упаковки чипов:

• Низкокалиевые диэлектрики: Диэлектрики Low-k уменьшают задержки распространения сигнала и потребление энергии в чипах.
• Материалы термического интерфейса: Улучшенные материалы термоинтерфейса помогают более эффективно рассеивать тепло, предотвращая перегрев.
• Гибкие субстраты: Гибкие подложки позволяют создавать гибкие и конформные упаковки для таких приложений, как гибкие дисплеи и носимые устройства.

Гетерогенная интеграция

Гетерогенная интеграция предполагает объединение различных типов микросхем, таких как процессоры, графические процессоры, ускорители искусственного интеллекта и датчики, в одном корпусе. Этот подход дает несколько преимуществ:

• Упрощенная конструкция устройства: Производители могут создавать высокоинтегрированные устройства с множеством функций, снижая потребность во внешних компонентах.
• Повышенная энергоэффективность: Совместное размещение специализированных чипов в одном корпусе может снизить энергопотребление по сравнению с отдельными компонентами.
• Экономия затрат: Объединив несколько компонентов в одном корпусе, можно снизить производственные затраты.

Пакет-на-пакете (PoP)

Концепция «пакет на упаковке» (PoP) аналогична набору сложенных друг на друга BGA. Несколько корпусов изготавливаются с использованием BGA-подложки и укладываются вертикально на последовательные слои подложки. Теоретически это позволяет интегрировать существующий пакет непосредственно поверх другого пакета, аналогично укладке нескольких печатных плат друг на друга. Шаровой массив нижнего уровня припаян к печатной плате и обеспечивает доступ к остальным частям корпуса.

Рис. 6. Пакет-на-пакете (PoP)

Источник: МАДПКБ

• Система в пакете (SIP)

Это не столько конкретная структура упаковки, сколько методология проектирования или тип дизайна упаковки. Все системы в пакете (SIP) следуют определенной концепции дизайна: пакет пытается интегрировать как можно больше компонентов, чтобы пакет содержал всю систему, часто разрабатываемую для конкретного приложения.

В SIP для расширенных компонентов может присутствовать любой из следующих элементов:

• Память, включая память с высокой пропускной способностью
• RF или аналоговые интерфейсы
• Блоки управления питанием
• Одно или несколько процессорных ядер
• Специальные блоки DSP для конкретных приложений.

Некоторые новые компоненты разрабатываются как SIP или SoC с расширенной реконфигурируемой логикой, что означает, что в пакете реализован сопроцессор FPGA. Это дает разработчику компонентов значительную гибкость в адаптации SIP к конечному продукту, а также создает предупреждение о возможности последующей реконфигурации после развертывания продукта в полевых условиях.

Рис. 7. Система в пакете (SIP).

Источник: AnySilicon

Наконец, проводится различие между системой на кристалле (SoC) и SIP. SoC по-прежнему является SIP, но он существует только в виде одного чипа, который не может быть спроектирован как промежуточный преобразователь. По этой причине некоторые продукты SoC помещаются в традиционную упаковку или интегрированную упаковку с промежуточным элементом и подложкой. SIP также обеспечивают интеграцию, наблюдаемую в SoC, но они реализуют тип интеграции с несколькими компонентами, описанными выше.

Согласно анализу Data Bridge Market Research, рынок пакетных систем (SIP) оценивался в 23,51 миллиарда долларов США в 2021 году и, как ожидается, достигнет 49,84 миллиарда долларов США к 2029 году, при этом среднегодовой темп роста составит 9,85% в течение прогнозируемого периода с 2022 по 2029 год. Рынок Отчет, курируемый командой Data Bridge Market Research, включает углубленный экспертный анализ, анализ импорта/экспорта, анализ цен, анализ потребления продукции и анализ пестика.

https://www.databridgemarketresearch.com/ru/reports/global-system-in-package-sip-market

Динамика рынка

Расширение рынка в значительной степени зависит от конечных потребителей, включая производителей оригинального автомобильного оборудования (OEM) и производителей бытовой техники. Все большее число конечных клиентов активно ищут поставщиков, специализирующихся на современной упаковке. Этот спрос обусловлен растущей потребностью в быстрых и надежных вычислениях, особенно в таких приложениях, как автономные транспортные средства. Для производителей полупроводников, особенно производителей логических интегрированных устройств (IDM) и литейных предприятий, передовая упаковка является важнейшим конкурентным преимуществом. Чтобы привлечь и удержать ценных клиентов полупроводниковой отрасли без производственных мощностей, производители должны быть открыты для совместных усилий по разработке передовых упаковочных решений. Хотя компании, производящие полупроводники без собственных фабрик, сохраняют полный контроль над процессом планирования микросхем до тех пор, пока не начнется крупномасштабное производство, у производителей остается возможность внести свой вклад. Совместные усилия по разработке обычно предпринимаются на этапе проектирования архитектуры микросхемы и первоначальной проверки проекта. По прогнозам, потребность в таком сотрудничестве возрастет из-за растущего спроса на более производительные чипы и увеличения сложности конструкции чипов в результате передовых технологий упаковки.

• В 2016 году TSMC в тесном сотрудничестве со своим ведущим заказчиком выпустила инновационные системы уровня пластины с интегрированным разветвлением (InFO), в основном для беспроводных приложений. Совсем недавно были выпущены его производные, такие как InFO AiP (антенна в комплекте) и InFO PoP (пакет в упаковке), которые можно расширить до других приложений для сетей и высокопроизводительных вычислений.

Быстрые последователи могут столкнуться с серьезными проблемами при попытке догнать лидеров рынка. Это происходит в первую очередь потому, что необходимы значительные инвестиции в технологии, чтобы гарантировать клиентам объем производства, необходимый для поддержки их продуктов. Более того, хотя быстрые последователи могут обладать технологией упаковки на уровне исследований и разработок (НИОКР) для разветвленной и 2,5-D упаковки, им обычно не хватает производственного опыта, что является решающим фактором в достижении высокой производительности.

Чтобы решить эти проблемы, упаковочные компании должны активно искать ключевых клиентов на ранних этапах развития. Позиционирование своих компаний как готовых партнеров в производстве передовых упаковочных решений, начиная с этапа проектирования, становится инструментом привлечения клиентов.

Расширенная упаковка требует изменений как в программном обеспечении конечного пользователя, так и в аппаратной архитектуре. Поэтому дизайн упаковки следует учитывать на начальном этапе архитектурного планирования. Поддержка со стороны провайдеров серверной части на этом этапе может облегчить бремя внедрения расширенной упаковки. Как только клиент выберет поставщика современной упаковки, он, скорее всего, продолжит сотрудничество с этим поставщиком для будущих проектов.

Чтобы расширить свои дизайнерские возможности, компании имеют возможность сотрудничать с дизайнерским бюро или инвестировать в него. Эти конструкторские бюро играют решающую роль на протяжении всего процесса производства чипов, включая разработку, проектирование и производство интеллектуальной собственности (ИС). Наличие пула IP-адресов может ускорить выполнение требований клиентов к проектированию, помогая им избежать избыточных проектов и затрат ресурсов. Конструкторские бюро должны предлагать комплексные внешние и внутренние услуги, включая проектирование на уровне передачи регистров, высокоуровневые функциональные описания, логическое тестирование, а также услуги по размещению и маршрутам.

Еще одним потенциально ценным предложением для производителей чипов является обеспечение возможностей проектирования и предложение готовых решений, начиная от проектирования и заканчивая производством пластин, упаковкой и тестированием. Это комплексное предложение предоставляет клиентам удобное универсальное решение для удовлетворения их потребностей в области полупроводников.

Что касается производства, то производители должны освоить две основные технологические возможности для 2,5- и 3-D упаковки. Для 2,5-D упаковки необходимы навыки работы с новыми решениями для промежуточных устройств, которые включают в себя новые материалы и технологии производства, такие как кремний, слои перераспределения (RDL) и стекло. В случае трехмерной упаковки новейшая технология гибридного склеивания требует химико-механической выравнивания, чтобы обеспечить равномерную плоскостность различных материалов и предотвратить появление выпуклостей. Кроме того, решающее значение имеет высокая точность межсоединений благодаря возможностям соединения диск-пластина как в оборудовании, так и в опыте.

Конкурентное преимущество благодаря усовершенствованной упаковке чипов

Внедрение передовых технологий упаковки чипов дает компаниям значительное конкурентное преимущество:

• Дифференциация продукта: Компании могут дифференцировать свои продукты, предлагая больше функций и возможностей в одном и том же форм-факторе, привлекая клиентов, которым нужны расширенные возможности.
• Компактные форм-факторы: Меньшие корпуса с большим количеством компонентов позволяют создавать более изящные и компактные конструкции устройств, привлекая потребителей, которые отдают предпочтение портативности и эстетике.
• Повышение производительности: Улучшенная производительность и энергоэффективность, достигнутые благодаря передовым технологиям упаковки, могут дать компаниям конкурентное преимущество на рынках, ориентированных на производительность.
• Экономия затрат: Гетерогенная интеграция и другие передовые методы упаковки могут привести к экономии затрат на производстве, позволяя компаниям предлагать конкурентоспособные цены.

Основной тенденцией в области усовершенствованной компоновки стала интеграция или упаковка большего количества функций и схемных блоков в меньшие пространства, причем все они работают на более высоких скоростях. Чтобы облегчить этот тип упаковки функций, отрасль разработала несколько типов конструкций полупроводниковых упаковок, которые обеспечивают постоянную интеграцию различных функций.

Вот несколько примеров того, как компании используют ACP, чтобы предложить клиентам больше компонентов и получить конкурентное преимущество:

• Яблоко: Apple использует ACP в своих iPhone для интеграции нескольких компонентов, таких как процессор серии A, сопроцессор серии M и датчики Face ID, на одной подложке. Это помогает уменьшить размер и вес iPhone и улучшить их производительность.
• Samsung: Samsung использует ACP в своих смартфонах Galaxy для интеграции нескольких компонентов, таких как процессор Exynos, графический процессор Mali и NPU, на одной подложке. Это помогает уменьшить размер и вес смартфонов Galaxy и улучшить их производительность.
• Интел: Intel использует ACP в своих FPGA для интеграции нескольких компонентов, таких как кристалл FPGA, память HBM2 и промежуточный преобразователь, на одной подложке. Это помогает улучшить производительность FPGA и сделать их более энергоэффективными.

Предлагая клиентам больше компонентов через ACP, компании могут получить конкурентное преимущество на рынке.

Ожидается, что на рынке полупроводниковой упаковки будет наблюдаться рост рынка примерно на 8,00% в прогнозируемый период с 2021 по 2028 год, а к 2028 году он достигнет значения 53 676,97. В отчете Data Bridge Market Research о рынке полупроводниковой упаковки представлен анализ и аналитическая информация. относительно различных факторов, которые, как ожидается, будут преобладать в течение прогнозируемого периода, а также их влияние на рост рынка. Рост упаковочного сектора во всем мире ускоряет рост рынка полупроводниковой упаковки.

https://www.databridgemarketresearch.com/ru/reports/global-semiconductor-packaging-market

Заключение

В быстро меняющемся мире полупроводниковых технологий достижения в области корпусирования микросхем являются решающим фактором получения конкурентного преимущества. Благодаря таким технологиям, как 2,5D и 3D-упаковка, передовые материалы и гетерогенная интеграция, компании могут предлагать своим клиентам больше компонентов и функций без ущерба для производительности, размера или энергоэффективности. Эти достижения не только стимулируют инновации, но и гарантируют, что полупроводниковые компании остаются в авангарде предоставления передовых решений, отвечающих требованиям все более взаимосвязанного мира. Использование этих достижений в области упаковки чипов будет иметь важное значение для компаний, стремящихся преуспеть в постоянно меняющемся мире электронных устройств.